Phân tích tĩnh võm đặc theo phương pháp nguyên lý cực trị gauss có kể đến chuyển vị lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÖC HÀ NỘI

ĐỖ DUY BỐN

PHÂN TÍCH TĨNH VÕM ĐẶC THEO PHƢƠNG
PHÁP NGUYÊN LÝ CỰC TRỊ GAUSS CÓ KỂ ĐẾN
CHUYỂN VỊ LỚN

LUẬN VĂN THẠC SỸ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ
CÔNG NGHIỆP

Hà Nội – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÖC HÀ NỘI

ĐỖ DUY BỐN
KHÓA: 2017 - 2019

PHÂN TÍCH TĨNH VÕM ĐẶC THEO PHƢƠNG
PHÁP NGUYÊN LÝ CỰC TRỊ GAUSS CÓ KỂ ĐẾN

CHUYỂN VỊ LỚN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình dân dụng và Công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD & CN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS. PHẠM VĂN TRUNG
2. TS. PHẠM VĂN ĐẠT
XÁC NHẬN
CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN

Hà Nội - 2019


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, tháng 5 năm 2019
Tác giả luận văn

Đỗ Duy Bốn


Lời cảm ơn
Tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với TS Phạm
Văn Trung và TS Phạm Văn Đạt đã tận tình giúp đỡ và cho nhiều chỉ dẫn

Khoa học có giá trị cũng như thường xuyên động viên, tạo mọi điều kiện,
giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này và nâng cao năng lực Khoa học của
tác giả.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy cô và các nhà Khoa học trong và
ngoài trường đã quan tâm góp ý làm cho bản luận văn được hoàn thiện hơn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô Giáo, Bộ môn Sức bền và
Cơ học kết cấu, Khoa Xây dựng, Khoa Sau Đại học, Trường Đại học Kiến
trúc Hà Nội và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và hợp tác trong
quá trình nghiên cứu.
Tác giả luận văn

Đỗ Duy Bốn


Mục lục
Lời cam đoan……………………………………………………………………
Lời cảm ơn………………………………………………………………………
Mục lục………………………………………………………………………….
Danh mục bảng biểu trong luận văn…………………………………………….
Danh mục hình vẽ trong luận văn……………………………………………….
Danh mục ký hiệu trong luận văn……………………………………………….
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 1
* Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1
* Mục đích nghiên cứu ...................................................................................... 2
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.................................................................. 2
* Phương pháp nghiên cứu................................................................................ 2
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ....................................................... 3
* Cấu trúc luận văn ........................................................................................... 3
NỘI DUNG........................................................................................................... 4
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHỊP LỚN DẠNG VÕM ĐẶC 4

1.1 Kháı niệm về hệ kết cấu nhịp lớn dạng vòm. ......................................... 4
1.1.1 Đặc điểm của hệ kết cấu nhịp lớn. ....................................................... 4
1.1.2 Phạm vi sử dụng. .................................................................................. 5
1.2 Tổng quan về cấu tạo hệ kết cấu vòm. .................................................. 10
1.2.1 Đặc điểm của hệ kết cấu vòm. ........................................................... 10
1.2.2 Nhược điểm của kết cấu vòm. ........................................................... 11
1.2.3 Phạm vi sử dụng. ................................................................................ 11
1.2.4 Phân loại hệ kết cấu vòm. .................................................................. 12
1.2.5 Cấu tạo hệ kết cấu vòm đặc. .............................................................. 16


1.3 Tổng quan về tính toán kết cấu vòm. .................................................... 21
1.3.1 Phương pháp lực và Phương pháp chuyển vị. ................................... 21
1.3.2 Phương pháp cân bằng lực. ................................................................ 21
1.3.3 Các phương pháp số (phương pháp phần tử hữu hạn). ...................... 21
1.3.4 Phương pháp tính toán theo kết cấu thép [1]. .................................... 24
CHƢƠNG 2. PHÂN TÍCH TĨNH HỆ KẾT CẤU VÕM ĐẶC THEO PP
NGUYÊN LÝ CỰC TRỊ GAUSS CÓ KỂ ĐẾN CHUYỂN VỊ LỚN ..... 27
2.1 Phƣơng pháp nguyên lý cực trị Gauss. ................................................. 27
2.1.1 Phương pháp NL cực trị Gauss của GS TSKH Hà Huy Cương. ....... 27
2.1.2 Phương pháp nguyên lý cực trị Gauss trong các bài toán cơ học. ..... 27
2.2 Xây dựng bài toán Hệ kết cấu vòm đặc nhịp lớn chịu tải trọng tĩnh
theo phƣơng pháp nguyên lý cực trị Gauss. ................................................... 30
2.3 Giải bài toán............................................................................................. 35
2.3.1 Lập trình tính toán trang Matlab. ....................................................... 35
2.3.2 Thuật toán tính toán. .......................................................................... 36
CHƢƠNG 3. MỘT SỐ VÍ DỤ TÍNH TOÁN ................................................. 39
3.1 Vòm ba khớp chịu tải trọng thẳng đứng phân bố đều. ....................... 39
3.1.1 Đầu bài. .............................................................................................. 39
3.1.2 Kết quả tính toán. ............................................................................... 40

3.1.3 Các bảng tổng hợp kết quả................................................................. 44
3.2 Vòm ba khớp chịu tải trọng thẳng đứng phân bố đều và chuyển vị
cƣỡng bức gối tựa. ............................................................................................. 45
3.2.1 Đầu bài ............................................................................................... 45
3.2.2 Kết quả tính toán.................................................................................. 47
3.2.3 Các bảng tổng hợp kết quả. ................................................................ 51
3.3 Khảo sát ảnh hƣởng của độ vồng f đến lực xô; chuyển vị và lực dọc
trong vòm. .......................................................................................................... 52


3.3.1 Đầu bài. .............................................................................................. 52
3.3.2 Kết quả tính toán. ............................................................................... 53
3.4 Vòm hai khớp chịu tải trọng thẳng đứng phân bố đều. ...................... 58
3.4.1 Đầu bài. .............................................................................................. 58
3.4.2 Kết quả tính toán. ............................................................................... 59
3.4.3 Các bảng tổng hợp kết quả. ................................................................ 62
3.5 Vòm hai khớp chịu tải trọng thẳng đứng phân bố đều và chuyển vị
cƣỡng bức gối tựa. ............................................................................................. 64
3.5.1 Đầu bài. .............................................................................................. 64
3.5.2 Kết quả tính toán. ............................................................................... 66
3.5.3 Các bảng tổng hợp kết quả. ................................................................ 69
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ................................................................... 71
KẾT LUẬN .................................................................................................... 71
KHUYẾN NGHỊ............................................................................................ 72
PHỤ LỤC ...............................................................................................................


DANH MỤC BẢNG BİỂU TRONG LUẬN VĂN
Bảng số

Nội dung

Trg

Bảng 3.1

Phản lực gối tựa

41

Bảng 3.2

Lực dọc trong vòm

41

Bảng 3.3

Mô men trong vòm

42

Bảng 3.4

Chuyển vị trong vòm

42

Bảng 3.5

Phản lực gối tựa

48

Bảng 3.6

Lực dọc trong vòm

48

Bảng 3.7

Mô men trong vòm

48

Bảng 3.8

Chuyển vị trong vòm

49

Bảng 3.9

Kết quả khảo sát theo độ vồng

51

Bảng 3.10

Phản lực gối tựa

59

Bảng 3.11

Lực dọc trong vòm

59

Bảng 3.12

Mô men trong vòm

60

Bảng 3.13

Chuyển vị trong vòm

60

Bảng 3.14

Phản lực gối tựa

65

Bảng 3.15

Lực dọc trong vòm

65

Bảng 3.16

Mô men trong vòm

66

Bảng 3.17

Chuyển vị trong vòm

66


DANH MỤC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN
Hình số

Nội dung

Trg

Hình 1.1

Cầu Bình Lợi – TP Hồ Chí Minh

5

Hình 1.2

Khung Vòm nhà xưởng

6

Hình 1.3

Ga La Khê – Dự án đường sắt trên cao Cát Linh
– Hà Đông

8

Hình 1.4

Vòm đặc và vòm rỗng

11

Hình 1.5

Vòm phẳng và Vòm không gian

12

Hình 1.6

Sơ đồ kết cấu vòm hai khớp

12

Hình 1.7

Sơ đồ kết cấu vòm ba khớp

12

Hình 1.8

Sơ đồ kết cấu vòm không khớp

13

Hình 1.9

Tương quan biểu đồ mô men của ba loại vòm khi
chịu tải phân bố đều

14

Hình 1.10

Vòm đặc tiết diện chữ I

15

Hình 1.11

Cấu tạo tiết diện vòm đặc

15

Hình 1.12

Cấu tạo khớp gối

16

Hình 1.13

Cấu tạo khớp đỉnh

17

Hình 1.14
Hình 1.15
Hình 1.16

Triệt tiêu lực xô ngang bằng dây căng nối ngầm
dưới đất
Triệt tiêu lực xô ngang không đặt dây căng
Triệt tiêu lực xô ngang bằng dây căng và dây
treo
Triệt tiêu lực xô ngang cấu tạo trục vòm gần

17
18
18

19

Hình 1.17

đường áp lực

Hình 2.1

Sơ đồ tính vòm chịu tải.

28

Hình 2.2

Sơ đồ tính vòm chịu tải quy về các điểm chia.

29


Hình 2.3

Sơ đồ chuyển vị của vòm chịu tải.

29

Hình 2.4

Sơ đồ nửa hệ bên trái để xác định nội lực.

30

Hình 2.5

Sơ đồ khối chương trình

36

Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3

Hình 3.4

Hình 3.5

Hình 3.6

Hình 3.7

Sơ đồ tính vòm chịu tải trọng phân bố đều trên
toàn nhịp
Sơ đồ tính vòm quy về tải tập trung
Mô hình chuyển vị của Vòm chịu tải phân bố đều
theo phương đứng
Sơ đồ tính vòm chịu tải trọng phân bố đều trên
toàn nhịp và chuyển vị cưỡng bức gối tựa
Sơ đồ tính vòm chịu tải quy về tải tập trung và
chuyển vị cưỡng bức gối tựa
Mô hình chuyển vị Vòm chịu tải và chuyển vị
cưỡng bức gối tựa
Sơ đồ tính vòm chịu tải trọng phân bố đều trên

toàn nhịp

37
37
42

43

44

49

50

Hình 3.8

Sơ đồ tính vòm quy về tải tập trung

50

Hình 3.9

Kết quả khảo sát theo độ vồng

51

Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12

Hình 3.13
Hình 3.14

Sơ đồ tính vòm chịu tải trọng phân bố đều trên
toàn nhịp
Sơ đồ tính vòm quy về tải tập trung
Mô hình chuyển vị của Vòm chịu tải phân bố đều
theo phương đứng
Sơ đồ tính vòm chịu tải trọng phân bố đều trên
toàn nhịp và chuyển vị cưỡng bức gối tựa
Sơ đồ tính vòm chịu tải quy về tải tập trung và

55
56
61

61
62


chuyển vị cưỡng bức gối tựa
Hình 3.15

Mô hình chuyển vị Vòm chịu tải và chuyển vị

67

cưỡng bức gối tựa

DANH MỤC KÝ HIỆU TRONG LUẬN VĂN

Ký hiệu

Đại lượng

Đơn vị

A

Diện tích tiết diện

m2

E

Mô dun đàn hồi

t/m2

F

Phiếm hàm

F

Độ vồng của vòm

m

G

Mô đun trượt

t/m2

I

Mô men quán tính tiết diện

m4

L

Nhịp vòm

m

M

Mô men trong vòm

t.m

N

Lực dọc

t

P

Lực tập trung

t

Q

Lực cắt

t

Q

Lực phân bố

t/m


1

MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài
Ngày nay Khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển, lịch sử kiến trúc
đã trải qua bề dày sáng tạo. Điều này dần đáp ứng môi trường sống và không
gian làm việc lý tưởng cho con người.
Mỗi công trình khi xây dựng lên phải thể hiện được những tiêu chí: Bền
vững, có tính thẩm mỹ kiến trúc độc đáo hài hòa và công năng sử dụng lớn.
Đặc biệt những công trình có khẩu độ không gian nhịp lớn đã rất cần thiết và
đem lại hiệu quả cực kỳ tối ưu, như các sân vận động, sân bay, nhà ga, nhà
máy, bảo tàng và công trình cầu vv... Việc áp dụng kết cấu vòm với nhiều ưu
điểm: Giá thành thấp, dễ chế tạo, dễ lắp ráp, bền, tạo hình dáng kiến trúc và

nổi bật là vượt được nhịp lớn nên đã góp phần cho sự hoàn thiện các công
trình nhanh chóng, kinh tế và linh hoạt.
Kết cấu vòm đặc là một dạng kết cấu nhịp lớn, do đó khi tính toán phải
kể đến yếu tố chuyển vị lớn tức là không áp dụng đươc giả thuyết chuyển vị
nhỏ. Không được tính toán trên sơ đồ ban đầu mà phải tính toán trên sơ đồ
biến dạng. Nhưng những tính toán hiện nay chưa thấy kể đến điều này mà vẫn
tính toán trên sơ đồ ban đầu.
Phương pháp nguyên lý cực trị Gauss có khả năng giải quyết được các
bài toán dạng này với sơ đồ tính là sơ đồ biến dạng. GS.TSKH. Hà Huy
Cương là người đề xuất dùng nguyên lý cực trị Gauss để giải các bài toán của
cơ học vật rắn biến dạng và gọi là phương pháp nguyên lý cực trị Gauss.
Nhiều nhà khoa học đã áp dụng vào nghiên cứu của mình cho thấy tính
ưu việt của phương pháp.


2

Để góp phần làm giàu thêm lý thuyết tính toán vòm đặc, tác giả lựa
chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là: “Phân tích tĩnh vòm đặc theo phương pháp
nguyên lý cực trị Gauss có kể đến chuyển vị lớn”.
* Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu các phương pháp tính toán tĩnh của vòm đặc hiện nay đã
được trình bày trong các tài liệu và các báo cáo khoa học.
- Xây dựng và giải bài toán phân tích tĩnh vòm đặc theo phương pháp
nguyên lý cực trị Gauss. Tính toán cụ thể cho một hệ kết cấu vòm đặc chịu tác
dụng của tải trọng thẳng đứng.
* Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Hệ kết cấu được chế tạo từ vật liệu làm việc trong miền đàn hồi, quan
hệ ứng suất biến dạng là quan hệ bậc nhất.
- Phạm vi nghiên cứu:

+ Hệ kết cấu vòm đặc được chế tạo từ thép hình.
+ Nghiên cứu tính toán tĩnh của hệ kết cấu.
+ Lực tác dụng theo phương thẳng đứng.
+ Lập trình tính trong matlab.
* Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập, kế thừa tài liệu, kết quả đã nghiên cứu.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
- Phương pháp mô hình hóa trong Matlab, khảo sát bằng số.
- Phương pháp phân tích tổng hợp, so sánh.
- Phương pháp chuyên gia, đúc rút kinh nghiệm, đề xuất giải pháp mới.


3

* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu đề xuất một phương pháp mới tính
toán hệ kết cấu vòm đặc làm phong phú hơn lý thuyết tính toán hệ kết cấu
vòm.
- Ý nghĩa thực tiễn: Làm tăng thêm tài liệu giảng dạy, học tập và
nghiên cứu của học viên ngành xây dựng. Áp dụng phương pháp này trong
thiết kế các hệ kết cấu vòm.
* Cấu trúc luận văn
Ngoài các phần Mở đầu, Nội Dung, Kết luận và kiến nghị, Tài liệu
tham khảo và Phụ lục, nội dung chính của Luận văn gồm ba chương:
- Chương 1: Tổng quan về kết cấu nhịp lớn dạng vòm đặc.
- Chương 2: Phân tích tĩnh vòm đặc theo phương pháp nguyên lý cực trị
Gauss có kể đến chuyển vị lớn.
- Chương 3: Một số ví dụ tính toán.

4

NỘI DUNG
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU NHỊP LỚN DẠNG VÕM ĐẶC
1.1 Kháı niệm về hệ kết cấu nhịp lớn dạng vòm.[1]
Kết cấu nhịp lớn là kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng được
thiết kế và cấu tạo bởi thép. Đây là mẫu kết cấu được sử dụng đa dạng trong
lĩnh vực xây dựng, đặc trưng là trong các dự án xây dựng có quy mô lớn bởi
những đặc tính có ích của thép.
1.1.1 Đặc điểm của hệ kết cấu nhịp lớn.
- Công trình nhịp lớn không phải là những công trình xây dựng hàng
loạt mà là các công trình đơn chiếc. Biện pháp giải pháp về kiến trúc và cấu
tạo mang tính chất hoàn toàn riêng biệt cho công trình kiến trúc đó, vì vậy rất
khó tiêu chuẩn hoá và định hình hóa.
- Kích thước của công trình nhà nhịp lớn thay đổi trong phạm vi rất
rộng. Ví dụ:
Nhịp nhà công nghiệp khoảng 50 – 100m; Xưởng lắp ráp nhà máy: L =
100 – 120m, H = 8 – 10m. Xưởng đóng tàu thủy: L = 20 – 60m, H = 30 –
40m.
Vì vậy khó có thể có một mô đun thống nhất xác định cho kết cấu nhà
nhịp lớn.
- Kết cấu nhịp lớn chủ yếu chịu tải trọng do trọng lượng bản thân và
tấm lợp nên việc giảm trọng lượng kết cấu là nhiệm vụ cơ bản của người thiết
kế.
Có thể giảm trọng lượng bản thân kết cấu bằng cách sử dụng vật liệu
bằng thép cường độ cao, hợp kim nhôm, vật liệu mái nhẹ… hay sử dụng


5

phương án kết cấu hợp lý (kết cấu ứng suất trước, hệ không gian, hệ mái
dây…).
Các dạng kết cấu chịu lực của nhà nhịp lớn: Hệ dầm khung, vòm cuốn,
cupôn, mái hệ thanh, hệ treo.
- Kết cấu kiểu dầm, khung: Thường được dùng nhất vì rất phù hợp với
không gian thông thường trong nhà là hình chữ nhật.
- Hệ vòm: Có hình dáng kiến trúc đẹp hơn, tiết kiệm vật liệu hơn (khi
nhịp > 80m).
- Hệ treo: Dùng khi nhịp rất lớn ( ≥ 200m), khó cấu tạo, điểm neo dây
xa nên góc chết lớn, ít được sử dụng.
- Cupôn: Dùng khi mặt bằng nhà có hình tròn hoặc hình đa giác.
1.1.2 Phạm vi sử dụng.
Kết cấu nhà nhịp lớn thường gặp trong các công trình dân dụng và công
nghiệp hay các công trình có công dụng đặc biệt.
Công trình dân dụng như: Rạp hát, nhà triển lãm, sân vận động, nhà ga,
chợ… do yêu cầu kiến trúc và yêu cầu sử dụng (nâng cao chất lượng âm
thanh, độ nhìn rõ, tận dụng diện tích).
Công trình công nghiệp như: Nhà xưởng đóng tàu, lắp ráp máy bay để
xe cộ đi lại dễ dàng.
- Dự án về giao thông như cầu đường bộ, cầu đường sắt, cầu vượt.


6

Hình 1.1 Cầu Bình Lợi – TP Hồ Chí Minh
Công trình “Cầu Bình Lợi” được quy hoạch xây dựng trong tuyến Tân
Sơn Nhất – Bình Lợi – Vành đai ngoài, trong đó:
Cầu Bình Lợi được xem là điểm nhấn của công trình với chiều dài
1,1Km và có 6 làn xe mỗi chiều. Cầu mới đã nâng tĩnh không thông thuyền
của cầu cũ từ 1,5m lên 7m làm thuận lợi cho giao thông tại sông Sài Gòn .

Hạng mục vòm Nielsen của cầu là một trong những cấu trúc có kỹ
thuật tiên tiến nhất trong các công trình cầu hiện nay.
“Nielsen là chữ viết tắt tên kỹ sư Octavius F Nielsen người sáng chế
ra kết cầu vòm với các thanh treo xiên”
- Dự án công nghiệp như nhà xưởng đóng tàu, lắp ráp phi cơ để xe
pháo vận động dễ dàng.


7

Hình 1.2 Khung Vòm nhà xưởng
Nhà xưởng khung vòm là một trong nhiều dạng kết cấu của nhà xưởng
mang tính thẩm mĩ cao, đáp ứng khả năng sáng tạo không giới hạn của các
kiến trúc sư và còn có các ưu điểm sau:
+ Bền vững, mang lại sự chắc chắn cho công trình.
Kết cấu thép vốn dĩ đã tạo được độ chắc chắn và bền vững cho công
trình trong mọi điều kiện. So với kết cấu khác, kết cấu thép mang lại hiệu quả
tốt hơn hẳn.
+ Tăng khả năng vượt nhịp.
Hệ vòm được sự dụng để tăng khả năng vượt nhịp, mở rộng diện tích.
Chúng được sử dụng với những công trình có chiều rộng lớn, có cột hoặc
nhiều cột giữa.
+ Tiết kiệm tối đa điện năng tiêu thụ.
Nhiệt được hấp thụ và thoát ra thông qua phần tiếp xúc trực tiếp với
môi trường bên ngoài. Mái vòm chính là một lớp cách nhiệt lý tưởng cho
những công trình có không gian lớn cần độ thoáng khí và thoát nhiệt độ tốt.


8

Do diện tích bề mặt nhỏ nên năng lượng nhiệt cũng được chuyển giao tốt hơn,
giúp công trình sau khi xây dựng không bị hầm bí.
+ Thân thiện với môi trường.
Nhà thép mái vòm sử dụng các tấm lợp có khả năng cách âm, cách
nhiệt... giúp tiết kiệm tối đa năng lượng sử dụng. Sản phẩm không chứa chất
độc hại, không gây ô nhiễm môi trường, không ảnh hưởng đến sức khỏe con
người. Các tấm lợp panel còn ngăn cản sự xâm hại của các loại côn trùng,
nấm, mối mọt. Thêm nữa, quá trình thi công nhà xưởng vòm sử dụng nguyên
liệu sẵn có từ nhà máy, với hình thức lắp ghép đơn giản, không có những vật
liệu vụn như cát, đá, sỏi.. gây bụi bặm, vương vãi.
Nhà xưởng mái vòm có thể tái chế sử dụng khi di dời hoặc thanh lý,
góp phần không nhỏ vào việc bảo vệ môi trường.
+ Tính thẩm mĩ.
Mái hình dạng vòm làm tăng tính thẩm mĩ cho nhà xưởng, giúp nhà
xưởng có một vẻ đẹp riêng hay một nét độc đáo trong thiết kế.
+ Tiết kiệm nguyên liệu.
Nhà xưởng mái vòm sử dụng ít nguyên liệu hơn so với những kiểu mái
thông thường bởi hệ thống vòm có mô men uốn nhỏ. Ngoài ra, chủ đầu tư còn
tiết kiệm nhiều chi phí khác như lắp đặt, bảo trì, bảo dưỡng và chi phí nhân
công.
+ Dễ thoát nước.
Với hình dạng vòm của mái giúp dễ thoát nước cho nhà xưởng. Độ dốc
mái càng lớn thì thoát nước càng nhanh.
- Dự án dân dụng như: Nhà hát, nhà triển lãm, sân di chuyển, nhà ga,
chợ… do yêu cầu kiến trúc và yêu cầu sử dụng (nâng cao chất lượng âm
thanh, độ nhìn rõ, tận dụng diện tích).


9

Hình 1.3 Ga La Khê – Dự án đường sắt trên cao Cát Linh – Hà Đông
Dự án Cát Linh – Hà Đông khởi công từ tháng 10/2009 với tổng mức
đầu tư ban đầu 550 triệu USD bằng nguồn vốn vay ưu đãi của Trung Quốc,
theo hình thức EPC. Sau đó nguồn vốn được điều chỉnh tăng thêm 300 triệu
USD.
Nhà ga La Khê có cấu trúc 3 tầng, sử dụng kết cấu đúc khẩu độ lớn.
Mái sử dụng vật liệu lấy sáng, có khả năng chịu mưa gió cao, giảm bức xạ
mặt trời.
Thiết kế nhà ga lấy cảm hứng từ người phụ nữ Việt Nam với tà áo dài,
phù hợp với tư tưởng kiến trúc sinh thái trên thế giới. Mái vòm lấy cảm hứng
thiết kế châu Âu. Kết cấu mở của nhà ga có lợi cho việc thoát nước và giảm
nhiệt độ khi mùa hè tới.
Nhà ga La Khê có tổng diện tích 4 009,83 m2 với kết cấu chính niên
hạn sử dụng 100 năm. Chống động đất cấp 7 và có cầu thang lên xuống bằng
bê tông, cầu vượt kết cấu thép. Nhà ga lấy sắc xanh cốm làm màu sắc chủ
đạo.


10

1.2 Tổng quan về cấu tạo hệ kết cấu vòm.[1]
1.2.1 Đặc điểm của hệ kết cấu vòm.
+ Là kết cấu có gây ra lực xô ngang lên gối tựa.
+ Toàn bộ hệ kết cấu (Vòm + dây căng) làm việc như kiểu dầm. Tránh
nhầm lẫn với kết cấu nhịp lớn dạng dầm.
+ Mô men trong kết cấu nhịp lớn dạng vòm nhỏ hơn nhiều so với kết
cấu nhịp lớn dạng khung và dầm.
Ưu điểm của kết cấu vòm:
Có tính chắn chắn và độ bền vững cao, trước khi thi công vòm thép
người ta đều phải tính toán cẩn thận, đảm bảo tính đồng bộ trong lắp đặt.

Vòm thép có ứng dụng đa dạng phù hợp với nhiều công trình mang
tính thẩm mĩ cao như: Rạp hát, nhà thi đấu, triển lãm, nhà hàng, khách sạn.
Kết cấu vòm thép mang đến cho công trình hiệu quả năng lượng bền
vững. Nhiệt lượng được hấp thụ và thoát ra thông qua phần mặt tiếp xúc trực
tiếp với môi trường bên ngoài. Đối với những công trình có không gian lớn
thì mái vòm là một lớp cách nhiệt lý tưởng, cần độ thoáng khí và thoát nhiệt
tốt. Do diện tích bề mặt của kết cấu vòm nhỏ nên năng lượng nhiệt chuyển
giao tốt hơn rất nhiều, giúp công trình xây dựng không bị hầm bí.
Kết cấu vòm thép với chứng năng cách nhiệt, cách âm và lấy ánh
sáng nên sẽ giúp tiết kiệm điện năng một cách tối đa nhất, không những thế
còn rất dễ tái chế để sử dụng lại vừa tiết kiện lại vừa bảo vệ môi trường.
Nguyên liệu để xây dựng 1 ngôi nhà mái vòm chỉ khoảng 50-75% so
với những công trình xây dựng thông thường khác. Góp phần tiết kiệm phí lắp
đặt, phí thuê nhân công, phí bảo trì…


11

1.2.2 Nhược điểm của kết cấu vòm.
Bất kỳ một kết cấu nào khi đưa vào sử dụng cũng tồn tại những nhược
điểm nhất định, kết cấu vòm thép cũng không ngoại lệ.
Những ngôi nhà mái vòm khá cồng kềnh cho nên việc vận chuyển
cũng như tháo lắp gặp nhiều khó khăn. Với những loại mái vòm không cách
âm môi trường bên trong rất dễ nhiễm tiếng ồn. Bất tiện lớn nhất của những
ngôi nhà mái vòm là bị hạn chế không gian sử dụng.
Đặc tính của thép là chịu nhiệt kém nên khi thi công cần có những
biện pháp chống cháy an toàn hiệu quả như: Sơn chống cháy, chống cháy
bằng thạch cao, phun bọt chống cháy...
Kết cấu mái vòm thép khá kín nên phần không gian bên trong bị hạn
chế và độ ẩm lớn, các nhà thầu cũng đang tìm cách khắc phục nhược điểm

này.
Đối với những công trình lớn thì kết cấu vòm thép sẽ phức tạp hơn và
chi phí thi công cũng cao hơn rất nhiều so với những công trình nhà tiền chế
thông thường.
Tuy còn có nhiều điểm hạn chế nhưng kết cấu vòm thép vẫn có nhiều
tính ứng dụng cao đặc biệt đối với những công trình đòi hỏi kiến trúc độc đáo
và thân thiện với môi trường.
1.2.3 Phạm vi sử dụng.
Công trình dân dụng: Công trình thể thao, Chợ, Nhà ga, Nhà hát có
mặt bằng hình chữ nhật.
Công trình công nghiệp: Nhà xưởng; nhà máy
Công trình giao thông: Cầu đường bộ, cầu đường sắt.


12

1.2.4 Phân loại hệ kết cấu vòm.
Theo cấu tạo:

a)

b)
Hình 1.4. Vòm đặc và vòm rỗng: a.Vòm đặc; b. Vòm rỗng
Vòm đặc: Tiết diện vòm là đặc và thường được cấu tạo từ thép hình

chữ I: Tiết diện có thể khoét lỗ hoặc không khoét lỗ hình 1.4 a.
Vòm rỗng: Tiết diện vòm là rỗng giống như tiết diện dàn và được tổ
hợp từ thép hình hoặc thép ống hình 1.4 b.
Theo sơ đồ tính:

a)

b)
Hình 1.5. Vòm phẳng và Vòm không gian.
Vòm phẳng: Là vòm có các trục của vòm, tải trọng tác dụng và

phương của liên kết nằm trong một mặt phẳng hình 1.5 a.


13

Vòm không gian: Là vòm có các trục của vòm, tải trọng tác dụng và
phương của liên kết nằm trong không gian ba chiều hình 1.5 b.
Theo số lượng khớp trong vòm:
o

Vòm hai khớp (Vòm siêu tĩnh bậc 1)
Biểu đồ mô men có trị số tương đối đều dẫn đến tiết diện được chọn là

hợp lý, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và lún gối tựa.
Về phương diện chịu lực: Là hệ vòm tốt nhất.
Về phương diện cấu tạo: Hai khớp ở chân vòm dễ làm nên được phổ
biến nhất và thuận lợi nhất được áp dụng nhiều nhất.

Hình 1.6. Sơ đồ kết cấu vòm hai khớp
o

Vòm ba khớp (hệ tĩnh định)

Hình 1.7. Sơ đồ kết cấu vòm ba khớp

Biểu đồ mô men phân bố không đều, trị số mô men lớn, tiết diện khó
hợp lý dẫn đến lãng phí về vật liệu.
Về phương diên chịu lực: Không tốt lắm.
Về phương diện cấu tạo: Khớp đỉnh khó thi công.


14

Là kết cấu tĩnh định nên khi nhiệt độ thay đổi hoặc lún gối tựa đều
không gây ra ứng suất phụ trong kết cấu, nội lực ở chân vòm lớn.
o

Vòm không khớp (hệ siêu tĩnh bậc 3)
Mô men ở chân vòm lớn, phần còn lại mô men phân bố tương đối đều

và có trị số nhỏ. Đây là hệ vòm tiết kiệm vật liệu nhất.
Là kết cấu siêu tĩnh bậc cao nên chịu ảnh hưởng nhiều của biến thiên
nhiệt độ và lún gối tựa.
Liên kết gối tựa phải chắc chắn nên rất khó chế tạo do đó ít được sử
dụng.

Hình 1.8. Sơ đồ kết cấu vòm không khớp.
o

Tương quan biểu đồ mô men của ba loại vòm thường sử dụng
So sánh ba trường hợp vòm hai khớp, vòm ba khớp và vòm không

khớp chịu tải phân bố đều theo phương đứng ta nhận thấy:
Vòm không khớp có biểu đồ mô men phân bố tương đối đồng đều
(đường 2 ở hình 1.9) nhưng gặp khó khăn khi chế tạo các liên kết tựa.

Vòm ba khớp phân bố mô men không hợp lý (đường 3 ở hình 1.9) và
khớp đỉnh chế tạo cũng khá phức tạp.
Vòm hai khớp có biểu đồ mô men phân bố gần đều (đường 1 ở hình
1.9) và chế tạo liên kết tựa đơn giản hơn.