Tài liệu So sánh đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật giữa hệ giàn không gian dạng phẳng và dạng vòm vượt nhịp lớn

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 KHÔNG GIAN DẠNG PHẲNG VÀ DẠNG VÒM VƯỢT NHỊP LỚN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG 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 KHÔNG GIAN DẠNG PHẲNG VÀ DẠNG VÒM VƯỢT NHỊP LỚN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM MỸ Đà Nẵng - Năm 2017 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. 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 KHÔNG GIAN DẠNG PHẲNG VÀ DẠNG VÒM VƯỢT NHỊP LỚN Học viên: Võ Thanh Tùng Chuyên ngành: Kỹ thuật XD công 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 không 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 công...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 mô hình số để mô phỏng bài toán, 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 toán, áp dụng và phân tích kết quả từ mô phỏng bằng phương pháp số. Từ khóa – Giàn không gian; Phần tử hữu hạn; Mô 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 KHÔNG GIAN TRONG VÀ NGOÀI 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 TOÁN 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 không 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 toán.......... 22 3.3. TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG .............................................................................. 23 3.4. KẾT QUẢ VÀO THẢO LUẬN ............................................................................. 29 3.4.1. Phân tích kết quả mô phỏng hệ giàn không gian phẳng ............................. 31 3.4.2. Hệ giàn không gian vòm ............................................................................. 35 3.4.3. Hệ giàn không 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 Mô men quán 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 toán 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 không thứ nguyên ̅ 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 toán 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 không gian phẳng 19 3.5. Mô hình hình học thiết kế giàn thép phẳng được xây dựng trong Abaqus 20 3.6. Hệ giàn không gian vòm 20 3.7. Mô hình hình học thiết kế giàn thép vòm được xây dựng trong Abaqus 21 3.8. Hệ giàn không gian lượn sóng 21 3.9. Mô 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. Mô hình phần tử hữu hạn của giàn thép được xây dựng trong Abaqus 30 3.15. Mô hình phần tử hữu hạn của giàn thép được xây dựng trong Abaqus. 30 3.16 Mô 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 không gian sử dụng lớn, thông thoáng với kiến trúc thanh mảnh, hiện đại mang tính nghệ thuật hiện nay không 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 công 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 không, 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 thông 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 công chính xác tại nhà máy và không cần nhân công có tay nghề cao trong quá trình thi công lắp dựng.  Kết cấu này cho phép các hệ thống điều hòa/thông 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 công, 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 quá trình thi công.  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 mô 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 không gian dạng phẳng và dạng vòm 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 mô phỏng bài toán  Phương pháp số: Xây dựng mô hình số để khảo sát ứng xử của giàn không gian dạng phẳng và dạng vòm.  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 không gian Chương 2: Cơ sở lý thuyết phân tích, tính toán giàn thép không gian Chương 3: Áp dụng và phân tích kết quả từ mô 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 không 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 không 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 không 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 KHÔNG GIAN TRONG VÀ NGOÀI 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 công 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 công 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 công trình có khẩu độ không 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 hoàn thiện những công 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 công 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. Công 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 công nghiệp hóa đất nước, nhiều công 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 KHÔNG GIAN Khung không gian bao gồm các thanh dọc trục, thường là dạng ống, được biết đến như mặt cắt rỗng hình tròn 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 tròn 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 tròn 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 không gian đơn, có bề mặt cong theo 1 phương hoặc hai phương, vòm barrel Hình 1.5 và vòm 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 không 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 vuông trên hình vuông (loại 1), hình vuông trên vuông, đặt theo đường chéo (loại 8 2), có độ cứng cao hơn, cấu hình thưa thớt như hình vuông trên đường chéo (loại 3), đường chéo trên hình vuông (Loại 5) và hình vuông dưới lớn hơn đặt theo đường chéo (loại 4). Hình vuông 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 không gian ba lớp có thể là một giải pháp thích hợp. Lớp ở giữa đặt ở bề mặt trung hòa, có ít hoặc không 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 lông 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 công 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 còn lại là cốc (Hình1.10). Sự kết thúc của thành phần ống tròn hoặc hình chữ nhật được kết nối được lắp ở đầu của nó bằng ren, bằng cách hàn. Bu lông nối có độ bền cao, nối các đầu của ống được sử dụng nếu ống có đường kính lớn được bố trí mà không có tắc nghẽn.