Dàn thép không gian nhịp lớn là một dạng kết cấu không gian phức tạp, được sử dụng rộng rãi trong các công trình có khẩu độ lớn như nhà thi đấu, sân bay, nhà ga, trung tâm triển lãm, nhà xưởng công nghiệp, v.v. Ưu điểm nổi bật của dàn thép không gian là khả năng chịu lực lớn, độ ổn định cao và khả năng phân phối tải trọng đều, giúp giảm thiểu vật liệu và chi phí thi công.
Giáo trình dàn thép không gian nhịp lớn cung cấp kiến thức cơ bản về cấu tạo, tính toán và thiết kế loại kết cấu này, phục vụ cho sinh viên ngành xây dựng, kỹ sư kết cấu và những người quan tâm đến lĩnh vực kết cấu thép.
1. Cấu tạo và phân loại dàn thép không gian
1.1. Cấu tạo cơ bản
Dàn thép không gian bao gồm các thành phần chính sau:
-
Thanh cánh trên (chord trên): chịu nén, thường là các thanh thép hình chữ I hoặc hộp.
-
Thanh cánh dưới (chord dưới): chịu kéo, thường là các thanh thép hình chữ I hoặc hộp.
-
Thanh bụng (web members): bao gồm các thanh xiên và thanh đứng, giúp liên kết các thanh cánh và chịu lực cắt.
-
Mắt dàn (joint): là điểm giao nhau của các thanh, thường được liên kết bằng bu lông hoặc hàn.
1.2. Phân loại dàn thép không gian
Dựa trên hình dạng và cấu trúc, dàn thép không gian được chia thành các loại sau:
-
Dàn không gian đều (space truss): các thanh có độ dài và góc nghiêng giống nhau, tạo thành một lưới đều.
-
Dàn không gian không đều (unequal space truss): các thanh có độ dài và góc nghiêng khác nhau, tạo thành một lưới không đều.
-
Dàn không gian hình thang (pratt truss): các thanh xiên có chiều dài và góc nghiêng khác nhau, tạo thành hình thang.
-
Dàn không gian hình vòm (bowstring truss): các thanh cánh trên và dưới có hình dạng cong, giống như dây vòm.
2. Nguyên lý làm việc và tải trọng tác dụng
2.1. Nguyên lý làm việc
Dàn thép không gian hoạt động theo nguyên lý phân phối lực đều giữa các thanh thông qua các mắt dàn. Khi có tải trọng tác dụng, các thanh sẽ chịu lực kéo hoặc nén, giúp duy trì ổn định cho toàn bộ kết cấu. Điều này cho phép dàn thép không gian có khả năng chịu lực lớn mà không cần sử dụng nhiều vật liệu.
2.2. Các loại tải trọng tác dụng
Trong quá trình thiết kế và tính toán dàn thép không gian, cần xem xét các loại tải trọng sau:
-
Tải trọng thường xuyên (dead load): bao gồm trọng lượng bản thân của dàn thép, mái, sàn và các cấu kiện cố định khác.
-
Tải trọng sống (live load): bao gồm tải trọng do người, thiết bị và vật liệu di động.
-
Tải trọng gió (wind load): tải trọng do tác động của gió lên bề mặt dàn thép.
-
Tải trọng động đất (earthquake load): tải trọng do rung động của mặt đất gây ra trong trường hợp có động đất.
-
Tải trọng nhiệt (thermal load): tải trọng do sự thay đổi nhiệt độ gây ra sự giãn nở hoặc co lại của dàn thép.
3. Tính toán và thiết kế dàn thép không gian
3.1. Phân tích nội lực
Để xác định nội lực trong các thanh của dàn thép không gian, có thể sử dụng các phương pháp sau:
-
Phương pháp nút (joint method): phân tích lực tại từng mắt dàn, sử dụng phương trình cân bằng lực.
-
Phương pháp thanh (section method): cắt dàn thành các phần nhỏ, phân tích lực tại các phần này.
-
Phương pháp ma trận (matrix method): sử dụng lý thuyết ma trận để giải quyết hệ phương trình cân bằng lực.
3.2. Kiểm tra và thiết kế thanh
Sau khi xác định được nội lực, cần kiểm tra và thiết kế các thanh của dàn thép không gian:
-
Kiểm tra ứng suất: so sánh ứng suất trong thanh với giới hạn chảy của vật liệu.
-
Kiểm tra độ bền uốn: xác định khả năng chịu uốn của thanh.
-
Kiểm tra độ ổn định: đảm bảo thanh không bị cong vênh hoặc gãy dưới tác dụng của tải trọng.
-
Thiết kế chi tiết liên kết: xác định kiểu và kích thước của bu lông, hàn hoặc các phương pháp liên kết khác.
3.3. Tiêu chuẩn và quy phạm
Việc thiết kế dàn thép không gian cần tuân thủ các tiêu chuẩn và quy phạm sau:
-
TCVN 5574:2018: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép.
-
TCVN 2737:2003: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép.
-
TCVN 9386:2012: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu chịu tải trọng gió.
-
TCVN 9387:2012: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu chịu tải trọng động đất.
4. Ứng dụng thực tế và ví dụ công trình
Dàn thép không gian nhịp lớn đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều công trình thực tế:
-
Trung tâm triển lãm quốc tế: sử dụng dàn thép không gian để tạo không gian rộng lớn, thoáng đãng cho các hoạt động triển lãm.
-
Sân vận động: dàn thép không gian giúp che phủ mái sân vận động, đảm bảo ánh sáng tự nhiên và khả năng chịu lực lớn.
-
Nhà ga, sân bay: dàn thép không gian được sử dụng để xây dựng mái che cho nhà ga, sân bay, tạo không gian mở và hiện đại.
-
Nhà xưởng công nghiệp: dàn thép không gian giúp tạo ra không gian làm việc rộng rãi, thuận tiện cho sản xuất.
Ví dụ công trình:
-
Trung tâm văn hóa – triển lãm Bắc Giang: sử dụng dàn thép không gian mái để tạo không gian rộng lớn cho các hoạt động văn hóa, triển lãm.
-
Trường Đại học Thương mại: thi công dàn thép không gian mái nhà đa năng, phục vụ cho các hoạt động học tập và thể thao.
-
Trạm thu phí Tiên Yên – Móng Cái: sử dụng dàn thép không gian mái để che mưa, nắng cho khu vực thu phí.
>>>Tham khảo: Kết cấu mái không gian nhà nhịp lớn
