SO SÁNH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT GIỮA HỆ GIÀN KHÔNG GIAN DẠNG PHẲNG VÀ DẠNG VÒM VƯỢT NHỊP LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ THANH TÙNG

SO SÁNH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ
KỸ THUẬT GIỮA HỆ GIÀN KHƠNG GIAN
DẠNG PHẲNG VÀ DẠNG VỊM VƯỢT NHỊP LỚN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ THANH TÙNG

SO SÁNH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ
KỸ THUẬT GIỮA HỆ GIÀN KHƠNG GIAN
DẠNG PHẲNG VÀ DẠNG VỊM VƯỢT NHỊP LỚN

Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH
DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM MỸ

Đà Nẵng - Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trong bất kỳ cơng trình nào.
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2017
Tác giả luận văn

Võ Thanh Tùng


SO SÁNH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT GIỮA HỆ GIÀN
KHƠNG GIAN DẠNG PHẲNG VÀ DẠNG VỊM VƯỢT NHỊP LỚN

Học viên: Võ Thanh Tùng
Chuyên ngành: Kỹ thuật XD cơng trình DD & CN
Mã số: 60.58.02.08
Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Trong các kết cấu vượt nhịp lớn hiện nay khơng có một loại kết cấu nào
cạnh tranh được với kết cấu khung/giàn không gian bởi những ưu điểm: nhẹ, kiến trúc đẹp,
tao nhã, có phân bố tải trọng tập trung rất lớn đặt tại các nút, độ võng bé, rút ngắn được thời
gian thi cơng...tuy nhiên, hiện nay tại Việt Nam có rất ít nghiên cứu về loại kết cấu này, nên
đây là lý do của luận văn này. Đề tài sử dụng lý thuyết cơ học vật rắn biến dạng, lý thuyết
phần tử hữu hạn, xây dựng các mơ hình số để mơ phỏng bài tốn, khảo sát ứng xử của các
dạng giàn không gian. Trong luận văn này các hệ thanh giàn khi làm việc chỉ chịu ảnh hưởng
của lực kéo và lực nén. Phân tích, so sánh đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của các hệ giàn

dựa trên cơ sở tính tốn, áp dụng và phân tích kết quả từ mơ phỏng bằng phương pháp số.
Từ khóa – Giàn khơng gian; Phần tử hữu hạn; Mơ hình số.

Abstract - Nowadays, In the structures with long span, there is no structure that
competed with the space frame /truss structure because of the advantages: lightweight,
beautiful architecture, elegant, concentrated load is located at the nodes, the small sag,
shorten the construction time ... However, in Vietnam there is very little research on this type
of structure, so this is the reason of this thesis. The topic use deformed solid mechanics
theory, finite element theory, numerical modeling to simulate the problem, behavioral survey
of forms of space truss. In this thesis, the members in the truss systems when they work
togethers, affected only by the tensile force and compression force. Analyze and compare the
economic and technical efficiency of gantry systems based on the calculation, application
and analysis of numerical simulation results.
Keyword - space truss; Finite element method; Numerical model


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2
5. Kết quả dự kiến ................................................................................................... 2
6. Cấu trúc luận văn ................................................................................................ 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN GIÀN THÉP KHÔNG GIAN ...................................... 3
1.1. GIỚI THIỆU VỀ GIÀN THÉP KHÔNG GIAN ...................................................... 3
1.1.1. Khái niệm ...................................................................................................... 3
1.2. TỔNG QUAN VỀ GIÀN THÉP KHƠNG GIAN TRONG VÀ NGỒI NƯỚC ... 3
1.3. CẤU KẾT CẤU GIÀN KHÔNG GIAN .................................................................. 6
1.4. PHÂN LOẠI ............................................................................................................. 6

1.4.1. Giàn lưới hai chiều hoặc ba chiều ................................................................ 6
1.4.2. Giàn không gian đơn, hai và ba lớp .............................................................. 6
1.5. MỘT SỐ LOẠI NÚT DÙNG CHO KẾT CẤU KHÔNG GIAN ............................ 9
1.5.1. MERO ........................................................................................................... 9
1.5.2. Liên kết nút Octatube và Tuball ................................................................... 9
1.6. NGUYÊN TẮC CẤU TAO………………………………………………………10
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ GIÀN THÉP 11
2.1. PHẠM VI NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI ...................................... 11
2.2. HÌNH HỌC VÀ QUAN HỆ GIỮA BIẾN DẠNG-CHUYỂN VỊ ......................... 11
2.3. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG VÀ VÉC TƠ NỘI LỰC ..................................... 14
2.3.1. Phương trình cân bằng ................................................................................ 14
2.3.2. Véc tơ lực nút.............................................................................................. 15
2.4. MA TRẬN ĐỘ CỨNG TIẾP TUYẾN .................................................................. 15
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN HỆ GIÀN KHÔNG GIAN .................. 18
3.1. DỮ LIỆU HÌNH HỌC HỆ GIÀN KHÔNG GIAN ................................................ 18
3.1.1. Sơ đồ/cấu tạo hệ giàn không gian dạng phẳng ........................................... 18
3.1.2. Sơ đồ/cấu tạo hệ giàn không gian dạng vòm .............................................. 20
3.1.3. Sơ đồ/cấu tạo hệ giàn khơng gian dạng lượn sóng ..................................... 21
3.2. VẬT LIỆU .............................................................................................................. 22
3.2.1. Thép kết cấu ................................................................................................ 22
3.2.2. Tôn định hình bằng thép của sàn liên hợp .................................................. 22


3.2.3. Quy đổi tương đương giữa TCVN và EC4 theo cường độ tính tốn.......... 22
3.3. TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG .............................................................................. 23
3.4. KẾT QUẢ VÀO THẢO LUẬN ............................................................................. 29
3.4.1. Phân tích kết quả mơ phỏng hệ giàn khơng gian phẳng ............................. 31
3.4.2. Hệ giàn khơng gian vịm ............................................................................. 35
3.4.3. Hệ giàn khơng gian lượn sóng .................................................................... 40
3.4.4. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa các hệ giàn .................................. 44

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao)
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ ĐƠN VỊ
Ký hiệu

Đơn vị

A

mm2

Tổng diện tích mặt cắt ngang

Anet

mm2

Diện tích thực của mặt cắt ngang

Av

mm2

Diện tích miền chịu lực cắt

Aw

mm2

Diện tích mặt cắt ngang bản bụng

C1

mm

Hệ số sơ đồ mô men

E

NA

Mô đun đàn hồi

fu

N/mm2

Giới hạn bền của thép

fy

N/mm2

Giới hạn chảy của thép

2

Chú giải

fyw

N/mm

h

mm

Chiều cao mặt cắt

hw

mm

Chiều cao bản bụng

I

4

mm

Giới hạn chảy của thép bản bụng

Mơ men qn tính
Hệ số tương tác

kyy, kzz, kyz, kzy
Lcr

mm

Chiều dài uốn dọc

Mb,Rd

N-mm

Mô men kháng uốn dọc thiết kế

Mc,Rd

N-mm

Mô men kháng uốn thiết kế

MEd

N-mm

Mô men uốn thiết kế

Mel,Rd

N-mm

Mô men kháng uốn đàn hồi thiết kế

Mpl,Rd

N-mm

Mô men kháng uốn dẻo thiết kế

MR

N-mm

Mô men kháng uốn đặc trưng

My,V,Rd

N-mm

Mô men khang uốn thiết kế có tính đến sự suy giảm
tiết diện và ảnh hưởng của lực cắt

Nb,Rd

N

Khả năng kháng uốn dọc thiết kế

Ncr

N

Lực tới hạn đàn hồi

Nc,Rd

N

Khả năng kháng nén thiết kế

NEd

N

Lực dọc thiết kế

Npl,Rd

N

Khả năng kháng dọc đàn dẻo thiết kế

NRk

N

Khả năng kháng dọc đặc trưng

Nt,Rd

N

Khả năng kháng kéo thiết kế

Nu,Rd

N

Khả năng chịu kéo giới hạn thiết kế

tf

mm

Chiều dày bản cánh

tw

mm

Chiều dày bản bụng/sườn


Vc,Rd

N

Khả năng kháng cắt thiết kế

Vb,Rd

N

Khả năng kháng bất ổn định cắt thiết kế

Vbf,Rd

N

Khả năng kháng bất ổn định cắt phân bố trên bản
cánh

Vbw,Rd

N

Khả năng kháng bất ổn định cắt phân bố trên bản
bụng

VEd

N

Lực cắt thiết kế

Vpl,Rd

N

Wel,min

mm3

Mô đun kháng đàn hồi tối thiểu

Wpl

mm3

Mô đun kháng dẻo

𝛼, 𝛼𝐿𝑇

NA

Hệ số sai lệch


𝐿𝑇

NA

Hệ số giảm uốn

NA

Hệ số giảm uốn ngang và xoắn

𝑤

NA

Hệ số giảm bất ổn định cắt phân bố trên bản bụng

𝜀

NA

Hệ số phụ thuộc vaof fy



NA

Trị số sử dụng cho việc tính tốn hệ số giảm uốn 

𝐿𝑇

NA

𝛾𝑀0

NA

𝛾𝑀1

NA

Hệ số riêng/từng phần cho sức kháng của những bộ
phận bất ổn định

𝛾𝑀2

NA

Hệ số riêng/từng phần cho sức kháng của tiết diện
ngang kéo nứt


̅

NA

Hệ số diện tích chịu cắt

NA

Độ mảnh khơng thứ ngun

̅ 𝐿𝑇

NA

Độ mảnh không thứ nguyên cho bất uốn ngang và
xoắn

̅ 𝐿𝑇,0

NA

Chiều dài của các đường cong uốn ngang và xoắn

̅ 𝑤

NA

Tham số độ mảng

𝜌

NA

Hệ số suy giảm tính cho lực cắt



NA

Tỷ số mô men trong một phân đoạn

Khả năng kháng cắt trong giai đoạn thiết kế đàn
dẻo

Trị số sử dụng cho việc tính tốn hệ số giảm uốn
ngang và xoắn 𝐿𝑇
Hệ số riêng/từng phần cho sức kháng tiết diện
ngang


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

3.1.

Chỉ tiêu thép cán nóng dùng trong xây dựng

23

3.2.

Tính tải trọng gió & sóng theo thang Beaufort tại Việt Nam

24


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1.

Ga xe lửa quốc tế Waterloo-Lonđon

4

1.2.

Ga hàng không Ka-San, Nhật Bản

5

1.3.

Sân bay Nội Bài

5

1.4.

Nhà thi đấu Đại học Kiến trúc HN

6

1.5.

Ga Thirumayilai. luz, Chennai, Ấn Độ

7

1.6.

Mái vòm trên gian triển lãm Al Praga li Maidan, Cơ quan hội chợ Thương
mại, New Delhi, Ấn Độ

7

1.7.

Nhà Thi đấu đa năng tỉnh Bắc Cạn

8

1.8.

Sáu cách xắp sếp lưới thường được dùng khung không gian

8

1.9.

Liên kết nút MERO

10

1.10.

Liên kết nút Tuball

10

2.1.

Nút giàn điển hình

11

2.2.

Biến dạng của một phần tử thanh điển hình

11

2.3.

Hình học và dạng của phần tử thanh tổng quát

12

3.1.

Chi tiết kết cấu thanh giàn D60

18

3.2.

Chi tiết kết cấu thanh giàn D90

18

3.3

Chi tiết kết cấu thanh giàn D120

19

3.4.

Hệ giàn khơng gian phẳng

19

3.5.

Mơ hình hình học thiết kế giàn thép phẳng được xây dựng trong Abaqus

20

3.6.

Hệ giàn không gian vòm

20

3.7.

Mơ hình hình học thiết kế giàn thép vịm được xây dựng trong Abaqus

21

3.8.

Hệ giàn khơng gian lượn sóng

21

3.9.

Mơ hình hình học thiết kế giàn thép uốn lượn được xây dựng trong Abaqus

22

3.10.

Tĩnh tải

24

3.11.

Hoạt tải

24

3.12.

Tải trọng gió theo phương Z

29

3.13.

Tải trọng gió theo phương X

29

3.14.

Mơ hình phần tử hữu hạn của giàn thép được xây dựng trong Abaqus

30

3.15.

Mơ hình phần tử hữu hạn của giàn thép được xây dựng trong Abaqus.

30

3.16

Mơ hình phần tử hữu hạn của giàn thép được xây dựng trong Abaqus.

30

3.17.

Sự phân bố ứng suất Von-Mises trong hệ giàn

31

3.18.

Sự phân bố ứng suất

 11 trong hệ giàn.

31


Số hiệu
hình

Tên hình

11 trong hệ giàn

Trang

3.19.

Sự phân bố biến dạng

32

3.20.

Quan hệ lực và biến dạng

33

3.21.

Chuyển vị theo phương X

33

3.22.

Chuyển vị theo phương Y

34

3.23.

Chuyển vị theo phương Z

34

3.24.

Tương quan giữa lực và chuyển vị khi nhịp giàn thay đổi.

35

3.25.

Sự phân bố ứng suất Von-Mises trong hệ giàn.

35

3.26.

Sự phân bố ứng suất

3.27

Sự phân bố biến dạng

3.28.

chuyển vị theo phương X

38

3.29.

Chuyển vị theo phương Y

38

3.30.

Chuyển vị theo phương Z

38

3.31.

Quan hệ lực-chuyển vị

39

3.32.

Quan hệ lực-biến dạng

39

3.33.

Sự phân bố ứng suất Von-Mises trong hệ giàn

40

3.34.

Sự phân bố ứng suất

3.35.

Sự phân bố biến dạng

3.36.

Quan hệ lực-biến dạng

42

3.37.

Chuyển vị theo phương X

42

3.38.

Chuyển vị theo phương Y

43

3.39.

Chuyển vị theo phương Z

43

3.40.

Quan hệ lực-chuyển vị.

44

3.41.

Quan hệ giữa lực và nhịp giàn

44

3.42

Quan hệ giữa khối lượng và nhịp giàn.

44

 11 trong hệ giàn.

36

11 trong hệ giàn.

36

 11 trong hệ giàn

40

11 trong hệ giàn

41


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong các kết cấu vượt nhịp lớn sử dụng trong các mái che sân vận động, nhà hát,
hội trường, nhà triển lãm cần khơng gian sử dụng lớn, thơng thống với kiến trúc thanh
mảnh, hiện đại mang tính nghệ thuật hiện nay khơng có một loại kết cấu nào cạnh tranh
được với kết cấu khung/giàn không gian bởi những ưu điểm vượt trội như sau:
 Kết cấu khung/giàn không gian nhẹ, hiệu quả và tối ưu về mặt chịu lực cũng như
sử dụng vật liệu.
 Kết cấu có một hình dáng kiến trúc tao nhã và mang lại hiệu quả kinh tế cao, bao
che những cơng trình có bược cột lớn, phạm vi ứng dụng đa dạng trong các kết cấu của

các công trình thể thao, nhà hát, nhà ga hàng khơng, hội trường, v.v.
 Tải trọng tác dụng lên kết cấu được ứng xử trong không gian 3 chiều, khi tải trọng
tác dụng lên 1 nút của kết cấu, tải trọng này không tập trung vào bất kỳ một phần tử nào
trong kết cấu mà nó sẽ được phân tán vào các phần tử hội tụ tại nút từ đó tải trọng đó lại
được phân tán đi nhiều phần tử khác thơng qua các nút kết nối. Cách phân phối tải trọng
này theo quy luật tự nhiên giống như các cấu trúc phân tử/nguyên tử hóa học rất vững
chắc và hiệu quả. Đây là lý do kết cấu này có thể phân phối một tải trọng tập trung rất
lớn đặt tại nút của chúng. Vì vậy loại kết cấu này đặc biệt hiệu quả/tiện lợi trong các nhà
máy bảo trì máy bay.
 Độ võng của loại kết cấu này bé vì có độ cứng lớn. Ưu điểm này được sử dụng
trong chế tạo các đĩa ăng-ten dạng parabol, ăng-ten nhiều tầng, kính viễn vọng/kính
thiên văn. Đây là những loại kết cấu cần độ cứng cao nhưng trọng lượng bé. Xa hơn
nữa, đây là những loại kết cấu yêu cầu sự áp dụng với độ chính xác cao, trong đó dung
sai cho phép được chỉ định trong số hạng bình phương quân phương của những đạo hàm
của mặt lý tưởng và kết cấu khung/giàn không gian đáp ứng được những yêu cầu này.
 Đây là loại kết cấu được gia cơng chính xác tại nhà máy và khơng cần nhân cơng
có tay nghề cao trong q trình thi cơng lắp dựng.
 Kết cấu này cho phép các hệ thống điều hịa/thơng gió tích hợp trong không gian
của khung và chúng được lắp đặt dưới đất tránh được sự nguy hiểm khi làm việc trên
cao, khai thác hết không gian sử dụng.
 Rút ngắn được thời gian thi cơng, vì tất cả được sản xuất, gia công tại nhà máy
và vận chuyển đến công trường dễ dàng. Không phụ thuộc lớn vào điều kiện thời tiết
trong q trình thi cơng.
 Kết cấu mềm dẻo tạo được nhiều hình dạng kiến trúc độc đáo, mới lạ.


2
 Trọng lượng nhẹ tiết kiệm được cột và kết cấu móng.
Vì rất nhiều ưu điểm vượt trội của loại kết cấu này như đã phân tích ở trên, hiện
nay tại Việt Nam đang bắt đầu ứng dụng loại kết cấu này, ví dụ tại Đà Nẵng Cung thể

thao Tiên Sơn, Nhà triển lãm, Metro, v.v. nhưng chưa có nhiều nghiên cứu về loại kết
cấu này. Đây chính là lý cho cũng là tính cấp thiết của Luận văn thạc sỹ.
2. Mục tiêu nghiên cứu
So sánh, đánh giá hiệu quả kinh tế, kỹ thuật giữa hệ giàn không gian dạng phẳng
và dạng vòm, cụ thể.
 Cùng tải trọng tác dụng dạng kết cấu nào vượt nhịp được lớn hơn.
 Cùng nhịp và tải trọng tác dụng dạng kết cấu nào tiêu tốn ít vật liệu hơn.
 So sánh sự tập trung ứng suất tại nút giàn phẳng và giàn vòm.
 Kiến nghị việc lựa chọn kết cấu giàn phù hợp trong bài toán thiết kế giàn 3D.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu: Các khảo sát được thực hiện trên mơ hình (sử dụng phần
mền thương mại) của giàn không gian dạng phẳng và dạng vòm.
 Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát ứng xử của hai loại giàn khơng gian dạng phẳng
và dạng vịm từ đó so sánh và đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật.
4. Phương pháp nghiên cứu
 Phương pháp lý thuyết: Tìm kiếm và tập hợp tài liệu: nghiên cứu và tìm hiểu lý
thuyết cơ học vật rắn biến dạng, lý thuyết phần tử hữu hạn, xây dựng các mô hình số để
mơ phỏng bài tốn
 Phương pháp số: Xây dựng mơ hình số để khảo sát ứng xử của giàn khơng gian
dạng phẳng và dạng vịm.
 So sánh và đánh giá: Phân tích, so sánh và đánh giá kết quả.
5. Kết quả dự kiến
 Xác định được trạng thái ứng suất và biến dạng trong từng cấu kiện của hai loại
giàn không gian.
 Xác định được phân bố ứng suất trong các mắt giàn.
 Đánh giá và đề xuất giải pháp lựa chọn kết cấu giàn phù hợp trong bài toán thiết
kế
6. Cấu trúc luận văn
Nội dung cơ bản của luận văn như sau:
Chương 1: Tổng quan về giàn thép khơng gian

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích, tính tốn giàn thép khơng gian
Chương 3: Áp dụng và phân tích kết quả từ mơ phỏng bằng phương pháp số.


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN GIÀN THÉP KHÔNG GIAN
1.1. GIỚI THIỆU VỀ GIÀN THÉP KHÔNG GIAN
1.1.1. Khái niệm
Đăng trên báo cáo khoa học kỹ thuật hiện đại phát hành năm 1984 của hiệp hội
tấm vỏ và kết cấu không gian quốc tế (international association for shell and spatial
structures: IASS) [1] đã thừa nhận khái niệm về khung/giàn không gian như sau:
Một khung không gian là một hệ thống kết cấu, sự lắp dựng của các phần tử tuyến
tính được sắp xếp sao cho tải được truyền đi trong không gian ba chiều. Trong một số
trường hợp, các phần tử cấu thành có thể là hai - chiều. Một cách vĩ mô, một khung
khơng gian thường có dạng phẳng hoặc cong.
Năm 1976, hiệp hội kỹ thuật dân dụng Hoa Kỳ báo cáo một nghiên cứu dưới tiêu
đề “kết cấu khung không gian mạng tinh thể”[2]. Đây là một báo cáo cách tân khung
không gian được nghiên cứu và quan niệm như kết cấu mạng tinh thể của các cấu trúc
nguyên tử/phân tử hóa học và được định nghĩa như:
Một hệ kết cấu có dạng một mạng lưới các phần tử (trái ngược với một mặt liên
tục), một đặc tính khác của hệ kết cấu dạng mạng tinh thể là cơ chế truyền tải trong
không gian 3 chiều tự nhiên.
Một sự phân biệt được xem xét giữa hai khái niệm khung không gian (space frame)
và giàn không gian (space trusses). Theo thuật ngữ này thì giàn khơng gian các là hệ
thống các phần tử liên kết với nhau bằng khớp xoay, trong khi khung không gian được
dành riêng cho các kết cấu liên kết với nhau bằng các khớp cứng. Trong luận văn này
sẽ theo thuật ngữ của IASS, khung không gian được sử dụng như một thuật ngữ chung,
trong đó giàn khơng gian chỉ là một tập hợp con.

Hai khái niệm về kết cấu khung không gian của IASS và hiệp hội kỹ thuật dân
dụng Hoa kỳ hiện nay vẫn được sử dụng song song, tùy thuộc vào người nghiên cứu
thiên về quan niệm nào cho các nghiên cứu của họ. Trong luận văn này sử dụng khái
niệm của IASS.
1.2. TỔNG QUAN VỀ GIÀN THÉP KHƠNG GIAN TRONG VÀ NGỒI NƯỚC
Ngày nay Khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển, lịch sử kiến trúc, xây dựng
đã trải qua bề dày sáng tạo. Điều kiện này dần đáp ứng môi trường sống và không gian
làm việc lý tưởng cho con người.
Mỗi cơng trình khi xây dựng nên phải thể hiện được những tiêu chí: Bền vững, có
tình thẩm mỹ kiến trúc độc đáo hài hòa và cơng năng sử dụng lớn. Bởi nó mang trong


4
mình nét văn hóa đặc trưng của từng dân tộc hoặc mang tính thời đại là tiền đề để tăng
trưởng kinh tế của cơ sở, ngành, của vùng và là bộ mặt của cả quốc gia.
Đặc biệt những cơng trình có khẩu độ khơng gian nhịp lớn đã rất cần thiết và đem
lại hiệu quả cực kỳ tối ưu, các sân vận động, sân bay, nhà ga, nhà máy, bảo tàng... Với
việc sáng tạo loại giàn không gian vượt nhịp lớn có nhiều ưu điểm: dể chế tạo, lắp ráp,
bền, nhẹ, tạo nhiều hình dáng kiến trúc và nổi bật là vượt được nhịp lớn nên đã góp phần
cho sự hồn thiện những cơng trình này một cách nhanh chóng, kinh tế và linh hoạt.

Hình 1.1. Ga xe lửa quốc tế Waterloo-Lonđon
Dạng kết cấu không gian đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong nhiều thập
kỷ gần đây, các cơng trình như nhà trưng triển lãm, nhà ga, sân vận động...
Cụ thể: Nhà ga xe lửa quốc tế Waterloo ở Londonđược xây dựng năm 1992 do
Nicholas Grimshaw, các kỹ sư kết cấu và tổ chức YRM Anthony Hunt thiết kế [3], và
khánh thành vào năm 1993 Thiết kế bao gồm một số nét tân cách đặc trưng, các cấu kiện
thép thon mảnh được sử dụng đã tăng thẩm mĩ và giảm đáng kể trọng lượng của hệ toàn
mái. Trong mặt cắt ngang cấu trúc là một giàn với ba chân. Hình dạng của tấm mái nhà
trong kế hoạch với bán kính lớn và mặt cắt ngang với nhiều góc khác nhau tạo thành

một hệ thống xây dựng có hình dạng linh hoạt để cho phép tất cả các sai lệch hình học
có thể có.
Cơng trình thể thao Olympic ở Sydney được thiết kế bởi The Games Facilities
Giàn thép không gian lớn ở ga hàng không Kan-Sai, Nhật Bản


5

Hình 1.2. Ga hàng không Ka-San, Nhật Bản
Đối với Việt Nam, trên con đường cơng nghiệp hóa đất nước, nhiều cơng trình
vượt khẩu độ có nhiều hình dáng đặc biệt, yêu cầu thi công nhanh như: Cung thể thao,
nhà ga san bay, nhà công nhiệp.. được xây dựng ở nhiều nơi, trong đó các thiết kế đã
chọn kết cấu giàn không gian, chẳng hạn như; nhà thi đấu thể thao Quần Ngựa, nhà thi
đấu trược đại học kiến trúc, sân bay quốc tế Nội Bài

Hình 1.3. Sân bay Nội Bài


6

Hình 1.4. Nhà thi đấu Đại học Kiến trúc HN
1.3. CẤU KẾT CẤU GIÀN KHƠNG GIAN
Khung khơng gian bao gồm các thanh dọc trục, thường là dạng ống, được biết
đến như mặt cắt rỗng hình trịn hoặc hình chữ nhật, và các nút nối các chi tiết lại với
nhau. Đối với các mặt cắt khác như hình I và H cũng đôi khi được sử dụng, đặc biệt
nếu tải trọng được truyền đến các thanh, bên cạch lực dọc trục. Trường hợp tải chỉ tác
dụng ở các nút, các thanh hình trịn và hình chữ nhật có lợi hơn các kết cấu khác vì
chúng có hiệu quả hơn trong nén, cho một góc xoay lớn hơn cùng một diện tích. Các
phần rỗng trịn có lợi thế hơn nữa là các moment quán tính của chúng đều giống nhau
ở mọi hướng [4].

1.4. PHÂN LOẠI
Các loại giàn không gian về mặt kiến trúc và cấu tạo rất đa dạng trong nghiên cứu
và ứng dụng, có thể tóm tắt như sau:
1.4.1. Giàn lưới hai chiều hoặc ba chiều
Khung không gian đặc trưng là loại hai chiều hoặc ba chiều, tùy thuộc vào việc
các thành viên giao nhau tại một nút chạy theo hai hoặc ba hướng [4].
1.4.2. Giàn không gian đơn, hai và ba lớp
Giàn khơng gian đơn, có bề mặt cong theo 1 phương hoặc hai phương, vòm barrel
Hình 1.5 và vịm Hình 1.6 là những ví dụ [4].


7

Hình 1.5. Ga Thirumayilai. luz, Chennai, Ấn Độ

Hình 1.6. Mái vòm trên gian triển lãm Al Praga li Maidan, Cơ quan hội chợ Thương
mại, New Delhi, Ấn Độ
Các hệ giàn không gian phổ biến nhất là khung không gian 02 lớp và phẳng (Hình
1.7). Khung khơng gian phẳng hai lớp có thể bao gồm lưới hai chiều hoặc ba chiều.
Trong một mạng lưới hai chiều, các thanh cấu kiện chạy theo hai hướng trực giao giao
cắt tại một nút. Trong lưới ba chiều, các thanh cấu kiện chạy theo ba hướng sẽ giao nhau
tại một nút. Sự sắp xếp cấu kiện thường được sử dụng cho khung không gian hai lớp hai
chiều được thể hiện trong hình (Hinh 1.8). Các lưới hai chiều có cấu hình dày đặc như
hình vng trên hình vng (loại 1), hình vng trên vng, đặt theo đường chéo (loại


8
2), có độ cứng cao hơn, cấu hình thưa thớt như hình vng trên đường chéo (loại 3),
đường chéo trên hình vng (Loại 5) và hình vng dưới lớn hơn đặt theo đường chéo
(loại 4). Hình vng trên đặt theo đường chéo (loại 6). Các kiểu cấu hình 1 và 2 có thể

thường cứng nhắc hơn yêu cầu.

Hình 1.7. Nhà Thi đấu đa năng tỉnh Bắc Cạn
Chiều cao của kết cấu không gian sẽ tăng lên cùng với khẩu độ của chúng, đối với
khẩu độ rất lớn thì chiều cao của kết cấu khung sẽ lớn hơn cũng như chiều dày của các
thanh giằng chéo. Trong những trường hợp như vậy một khung khơng gian ba lớp có
thể là một giải pháp thích hợp. Lớp ở giữa đặt ở bề mặt trung hịa, có ít hoặc khơng có
chức năng kết cấu, nhưng nó làm giảm độ dài của các thành phần giằng, nó có thể sử
dụng bởi các vật liệu nhẹ, hai lớp ngoài gọi là lớp chịu lực, làm bằng kim loại, vật lệu
phức hợp cốt sợ sợi thủy tinh…..lớp ở giữ liên kết với hai lớp ngoài tạo thành sự làm
việc chung của kết cấu 3 lớp [4].

Hình 1.8. Sáu cách xắp sếp lưới thường được dùng khung không gian


9
1.5. MỘT SỐ LOẠI NÚT DÙNG CHO KẾT CẤU KHÔNG GIAN
1.5.1. MERO
MERO là chữ viết tắt của Mengeringhausen, người phát minh ra đầu nối. Đầu nối
MERO (xem Hình1. 9) bao gồm các thành phần sau [4].
- Một quả cầu hình cầu bằng thép nóng rèn nóng với 18 lỗ khoan, ở các góc độ
khác nhau, phân bố đều trên bề mặt của nó, để nhận các cấu kiện hình ống ở các góc độ
khác nhau. Mặt cầu có bề mặt phẳng xung quanh là các lỗ ren.
- Một bu lông, được chèn vào qua một lỗ trong thành ống và đi qua một hình nón
được hàn vào cuối ống.
- Một tuabin chìa lục giác.
Thế hệ liên kết nút MERO là thế hệ mới [5]. Trong những năm gần đây, MERO
đã giới thiệu 4 loại liên kết nút mới, đặc biệt phù hợp với các khung không gian đơn,
cần độ cứng uốn ở các nút để cải thiện tính ổn định. Các loại liên kết nút này được cho
như dưới:

- Đầu nối nút hình trụ ZK
- Đầu nối nút đĩa đĩa TK
- NK nút nối hemi-hình cầu rỗng
- Đầu nối nút khối BK.
1.5.2. Liên kết nút Octatube và Tuball
Đầu nối nút Octatube được phát triển bởi Giáo sư Dr Ir. Mick Eekhout của Hà
Lan bao gồm một tấm cơ sở hình bát giác được hàn hai tấm bán bát giác đặt ở góc phải
với nhau. Đầu nối Octatube là một đầu nối tấm. Các ống gặp nhau ở một nút được làm
phẳng và kết nối bằng các bu lơng có độ bền cao. Được phát triển vào năm 1973. Đầu
nối được thiết kế cho khung không gian dành cho nhà xưởng mái, kho hàng và các
cơng trình khác mà lợi ích chi phí được chú trọng. Có thể sử dụng các bộ phận khác
ngoài ống để thực hiện kết nối nếu một tấm được hàn cho đến cuối của bộ phận [4].
Đầu nối Tuball, được phát triển bởi Eekhout năm 1984[6], là một quả cầu rỗng
được làm bằng graphite hình cầu. Một phần tư quả cầu bao gồm nắp và phần cịn lại
là cốc (Hình1.10). Sự kết thúc của thành phần ống trịn hoặc hình chữ nhật được kết
nối được lắp ở đầu của nó bằng ren, bằng cách hàn. Bu lơng nối có độ bền cao, nối
các đầu của ống được sử dụng nếu ống có đường kính lớn được bố trí mà khơng có
tắc nghẽn.


10

Hình 1.9. Liên kết nút MERO

Hình 1.10. Liên kết nút Tuball
1.6. Nguyên tắc cấu tạo
Chiều cao của giàn không gian bằng 3% khoảng vượt.
Tuy nhiên chiều cao kinh kế nhất bằng 5% khoảng vượt giữa 2 đối tượng hoạt
11 % đoạn vượt công-xon.
Độ dốc của thanh xiên tối ưu là 45o so với thanh giàn phía trên và phía dưới.

Trọng lượng nút giàn bằng 1/4 tổng trọng lượng mái.
Độ mãnh các thanh giàn phải bé hơn độ mãnh giới hạn.


11

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ GIÀN THÉP
2.1. PHẠM VI NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong nghiên cứu này chỉ tập trung nghiên cứu hệ giàn thép liên kết với nhau bằng
hệ khớp nối lý tưởng (xem Hình 2.1). Trong điều kiện làm việc này, hệ thanh giàn khi
làm việc chỉ chịu ảnh hưởng của thành phần kéo và nén, trong khi đó ảnh hưởng của
thành phần biến dạng uốn và cắt không đáng kể. Do đó, trong luận án sử dụng lý thuyết
thanh để phân tích tính tốn ứng xử của hệ giàn khi tham gia chịu lực.

Hình 2.1. Nút giàn điển hình
Ngồi ra, ứng xử của kết cấu trong nghiên cứu không chỉ giới hạn trong miền đàn
hồi của vật liệu nhằm phát huy hết khả năng làm việc của vật liệu thép. Đồng thời nghiên
cứu mở rộng khảo sát ứng xử của kết cấu trong trạng thái biến dạng và chuyển vị lớn.
Nghiên cứu sử dụng lý thuyết thanh dựa trên biến dạng Green, nhằm đáp ứng được
bài toán thành ứng xử trong trạng thái biến dạng và chuyển vị lớn. Nội dung của tồn
bộ lý thuyết sẽ được trình bày trong những phần tiếp theo.
2.2. HÌNH HỌC VÀ QUAN HỆ GIỮA BIẾN DẠNG-CHUYỂN VỊ

Hình 2.2. Biến dạng của một phần tử thanh điển hình


12
Trong Hình 2.2 trình bày một phần tử thanh 𝑃𝑜 𝑄𝑜 trong trạng thái ban đầu với hệ
toạ độ tự nhiên không thứ nguyên được sử dụng để xác định vị trí của một điểm 𝐴𝑜 nằm

giữa 𝑃𝑜 và 𝑄𝑜 . Khi thanh giàn biến dạng thì điểm 𝐴𝑜 và điểm lân cận 𝐵𝑜 di chuyển đến
vị trí mới 𝐴𝑛 và 𝐵𝑛 tương ứng. Trong suốt quá trình biến dạng, véc tơ vị trí 𝑟𝑜 của điểm
trí 𝐴𝑜 di chuyển đến véc tơ vị trí của điểm trí 𝐴𝑛 là trí 𝑟𝑛 . Trong đó
𝒓𝑛 = 𝒓𝑜 + 𝒖

(2.1)

𝒓𝑻 = {𝑥, 𝑦, 𝑧} ; 𝒖𝑻 = {𝑢, 𝑣, 𝑤}

(2.2)

và trong khơng gian 3 chiều
trong đó toạ độ nút tương đương được viết như sau:
𝒙𝒏 = 𝒙𝑜 + 𝒑

(2.3)

𝒙𝑇𝑜 = (𝑥1 , 𝑥2 , 𝑥3 , 𝑦1 , 𝑦2 , 𝑦3 , 𝑧1 , 𝑧2 , 𝑧3 )

(2.4)

𝒑𝑇 = (𝑢1 , 𝑢2 , 𝑢3 , 𝑣1 , 𝑣2 , 𝑣3 , 𝑤1 , 𝑤2 , 𝑤3 )

(2.5)

trong đó toạ độ ban đầu là:
và chuyển vị nút là:
Trong Hình 2.2 và Hình 2.3, hệ toạ độ tự nhiên  được sử dụng nhằm tiện lợi cho
việc xây dựng các hàm dạng chuẩn khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Tuy
nhiên chúng ta tranh việc sử dụng hàm dạng, điều không cần thiết đối với những phần

tử đơn giản.
Sử dụng Pythagore, chiều dài ban đầu của phần tử dễ dàng xác định như sau:
2
2
2
𝑙𝑜2 = 4𝛼𝑜2 = 𝑥21
+ 𝑦21
+ 𝑧21
= 𝒙𝑇21 𝒙21

(2.6)

trong đó,
𝑥21 = 𝑥2 − 𝑥1 ; 𝑦21 = 𝑦2 − 𝑦1 ; 𝑧21 = 𝑧2 − 𝑧1

(2.7)

và,
𝒙𝑇21 = (𝑥21 , 𝑦21 , 𝑧21 )

Hình 2.3. Hình học và dạng của phần tử thanh tổng quát

(2.8)


13
Trong phương trình (2.6), chúng ta đã giới thiệu thơng số chiều dài ban đầu 𝛼𝑜
bằng nữa chiều dài ban đầu của phần tử 𝑙𝑜 (xem Hình 2.3) nhằm tạo điều kiện thuận lợi
và tương thích với việc phát triển hàm dạng sau này.
Đối với chiều dài 𝑙𝑛 , tương đương với phương trình (2.6) được xác định như sau:

𝑙𝑛2 = 4𝛼𝑛2 = (𝑥21 + 𝑢21 )2 + (𝑦21 + 𝑣21 )2 + (𝑧21 + 𝑤21 )2
(2.9)
= (𝒙21 + 𝒑21 )𝑇 (𝒙21 + 𝒑21 )
Hoàn toàn tương tự như trong phương trình (2.8) 𝒑𝑇21 = (𝑢21 , 𝑣21 , 𝑤21 ), mặt khác
theo định nghĩa của biến dạng dọc trục của phần tử thanh ta có:
𝑙𝑛 − 𝑙𝑜 (𝑙𝑛 − 𝑙𝑜 )(𝑙𝑛 + 𝑙𝑜 )
𝑙𝑛2 − 𝑙𝑜2
𝜀𝐸 =
=
=
𝑙𝑜
𝑙𝑜 (𝑙𝑛 + 𝑙𝑜 )
𝑙𝑜 [(1 + 𝜀𝐸 )𝑙𝑜 + 𝑙𝑜 ]
(2.10)
𝑙𝑛2 − 𝑙𝑜2
= 2
𝑙𝑜 (2 + 𝜀𝐸 )
Xét trong trường hợp 𝜀𝐸 bé ta có biện dạng 𝜀𝐺 được cho như trong phương trình
(2.11), và nó được gọi là biến dạng Green.
𝑙𝑛2 − 𝑙𝑜2
𝜀𝐺 =
2𝑙𝑜2
Thay phương trình (2.9) và (2.6) vào phương trình (2.11) chúng ta có:
𝑙𝑛2 − 𝑙𝑜2 (𝒙21 + 𝒑21 )𝑇 (𝒙21 + 𝒑21 ) − 𝒙𝑇21 𝒙21
𝜀𝐺 =
=
2𝑙𝑜2
2𝒙𝑇21 𝒙21
1
1

= 2 (𝒙𝑇21 𝒑21 + 𝒑𝑇21 𝒑21 )
4𝛼𝑜
2
Phương trình (2.12) có thể được viết lại như sau:
1
1
1
𝜀𝐺 = 2 (𝒙𝑇21 𝒑21 + 𝒑𝑇21 𝒑21 ) = 𝒃1𝑇 𝒑 + 2 𝒑𝑇 𝑨𝒑
4𝛼𝑜
2
2𝛼𝑜
trong đó,
1
1
𝒃1𝑇 = 2 (−𝑥21 , 𝑥21 , −𝑦21 , 𝑦21 , −𝑧21 , 𝑧21 ) = 2 𝒄(𝒙)𝑇
4𝛼𝑜
4𝛼𝑜
và,
1 −1 0
0
0
0
−1 1
0
0
0
0
0
0
1 −1 0

0
𝑨=
0
0 −1 1
0
0
0
0
0
0
1 −1
[0
0
0
0 −1 1 ]

(2.11)

(2.12)

(2.13)

(2.14)

(2.15)

Từ phương trình (2.12)-(2.15), một gia số của biến dạng Green do ∆𝒑 được cho
bởi,

14
1
1
𝑇
(
)
[
𝒙
+
𝒑
∆𝒑
+
∆𝒑21 𝑇 ∆𝒑21 ]
21
21
21
2
4𝛼𝑜
2
1
𝑇
(2.16)
= (𝒃1 + 𝒃2 (𝒑)) ∆𝒑 + 2 ∆𝒑21 𝑇 𝑨∆𝒑21
2𝛼𝑜
1
= 𝒃(𝒑)𝑇 ∆𝒑 + 2 ∆𝒑21 𝑇 𝑨∆𝒑21
2𝛼𝑜
Trong đó, tương tự như phương trình (2.14),
1
𝒃𝟐 (𝒑)𝑇 = 2 (−𝑢21 , 𝑢21 , −𝑣21 , 𝑣21 , −𝑤21 , 𝑤21 )

4𝛼𝑜
(2.17)
1
1
= 2 𝒄(𝒑)𝑇 = 2 (𝑨𝒑)𝑇
4𝛼𝑜
𝛼𝑜
Theo cách khác, nếu ta khai triển chuỗi Taylor đối với biến dạng 𝜀𝐺 ta có,
∆𝜀𝐺 =

𝜕𝜀𝐺
1
𝜕 2 𝜀𝐺
(2.18)
∆𝒑 + ∆𝒑𝑇
∆𝒑
𝜕𝒑
2
𝜕𝒑𝜕𝒑
Mặt khác từ phương trình (2.13) ta có thể xác định,
𝜕𝜀𝐺
1
𝑇
(2.19)
= 𝒃1𝑇 + 2 (𝑨𝒑) = (𝒃1 + 𝒃2 (𝒑)) = 𝒃(𝒑)𝑇
𝜕𝒑
𝛼𝑜
Từ phương trình (2.18)và (2.19) ta suy ra,
1 𝑇 𝜕𝒃(𝒑)𝑇
𝑇

(2.20)
∆𝜀𝐺 = 𝒃(𝒑) ∆𝒑 + ∆𝒑
∆𝒑
2
𝜕𝒑
Kết quả trong phương trình (2.16) và (2.20) hoàn toàn giống nhau. Chúng ta chú ý
∆𝜀𝐺 =

rằng

1
2
𝛼𝑜

𝑨 là đạo hàm riêng bậc 2 của biến dạng 𝜀𝐺 đối với chuyển vị 𝒑 hoặc là đạo hàm

bậc nhất của 𝒃(𝒑)𝑇 đối với chuyển vị 𝒑.
Trong trường hợp chuyển vị bé đối với 𝛿𝒑 thay cho ∆𝒑 thì số hạng cuối cùng trong
phương trình (2.16) hoặc (2.20) vơ cùng bé và có thể được bỏ qua. Lúc này biến dạng
có thể viết lại như sau:
𝛿𝜀𝐺 = 𝒃(𝒑)𝑇 𝛿𝒑

(2.21)

2.3. PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG VÀ VÉC TƠ NỘI LỰC
2.3.1. Phương trình cân bằng
Dựa vào nguyên lý công ảo để xây dựng phương trình cân bằng, trong phương
trình cân bằng mơ tả sự cân bằng giữa tổng véc tơ lực nút trên chuyển vị ảo tương ứng
và tổng nội lực bên trong kết cấu tương ứng với tích tổng ứng suất bên trong kết cấu
trên biến dạng ảo tương ứng.

∑ 𝛿𝒑𝑇𝑣 𝒒𝑖 = ∑ ∫ 𝜎𝐺 𝛿𝜀𝑣 𝑑𝑉𝑜 = ∑ 𝛿𝒑𝑇𝑣 ∫ 𝜎𝐺 𝒃𝑑𝑉𝑜
𝑒

𝑒

(2.22)

𝑒

trong đó, ∑𝑒 là phép tổng trên tồn bộ phần tử. Đối với sự phát triển sau, chúng ta