Houston Astrodome kỳ quan thứ tám của thế giới

Kể từ khi thể thao ra đời, người hâm mộ bóng đá và bóng chày đã phải đối mặt với nhiều điều kiện thời tiết khác nhau, từ mưa, mưa tuyết và thời tiết nóng ẩm trong môi trường ngoài trời để xem các đội bóng yêu thích của họ thi đấu.

Cho đến khi Houston Astrodome được khai trương vào năm 1965. Đó được gọi là Kỳ quan thứ tám của thế giới, Astrodome là chất xúc tác cho các sân vận động trong nhà hiện đại trị giá hàng tỷ đô la ngày nay, điểm xuyết trong bối cảnh thể thao trên toàn thế giới.

Giai đoạn đầu lắp dựng kết cấu mái vòm sử dụng tháp lắp dựng thép

Giấc mơ về một sân vận động có mái vòm hoàn toàn được trang bị điều hòa nhiệt độ là của Roy M. Hofheinz, một chính trị gia ở Houston, người từng là thị trưởng Houston và là thẩm phán của Quận Harris trong suốt sự nghiệp của mình. Cùng với đối tác kinh doanh của anh ấy là Bob Smith, họ đã thành lập Hiệp hội Thể thao Houston với mục tiêu giành được nhượng quyền thương mại giải bóng chày lớn ở Houston. Hiệp hội Thể thao Houston cần sự giúp đỡ của các cử tri Quận Harris để chấp thuận trái phiếu công khai để xây dựng Astrodome. Thông qua trái phiếu, sự ủng hộ của các cử tri người Mỹ gốc Phi là rất quan trọng, vì vậy Hofheinz và Smith đã kêu gọi sự giúp đỡ của Quentin Mease, một trong những người Mỹ gốc Phi được kính trọng và có ảnh hưởng nhất ở Houston. Mease và các nhà lãnh đạo người Mỹ gốc Phi khác đã đồng ý vận động cho trái phiếu với điều kiện sân vận động phải được mở như một nơi tích hợp các tiện nghi.

Giai đoạn đầu lắp dựng kết cấu mái vòm sử dụng tháp lắp dựng thép

Năm 1961, các cử tri của Quận Harris đã thông qua đợt phát hành trái phiếu chung trị giá 42 triệu đô la để xây dựng Astrodome. Dự án được động thổ vào năm 1962 và việc xây dựng chính thức bắt đầu trên Astrodome vào năm 1963.

Ban đầu được gọi là Harris County (Texas) Domed Stadium, nó từng là sân nhà của đội Houston Colt.45s (Major League Baseball, hiện được gọi là Houston Astros) và Houston Oilers (Giải bóng bầu dục quốc gia, hiện được gọi là Tennessee Titans). Đây là lần đầu tiên một sân vận động được xây dựng cho bóng chày và bóng đá hoàn toàn kín và có máy lạnh.

Sân vận động này vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay nhưng hiện không được sử dụng. Hình cầu của Astrodome có đường kính ngoài là 710 feet, bao phủ 9,14 mẫu Anh và nhịp rõ ràng của mái vòm là 642 feet. Đường kính của sân chơi là 516 feet và chiều cao tối đa của mái nhà trên sân chơi là 213 feet. Sức chứa chỗ ngồi ban đầu cho sân vận động đa năng chín tầng dao động từ 45.772 cho bóng chày, 52.382 cho bóng đá, 55.000 cho hội nghị và 66.000 cho quyền anh. Năm 1989, 10.000 chỗ ngồi mới đã được bổ sung vào cơ sở để tăng sức chứa cho các trận bóng chày và bóng đá. Sân vận động được xây dựng chỉ với hơn 45 triệu đô la (đô la những năm 1960), và chi phí kết cấu giàn không gian tổng cộng là 5,3 triệu đô la cho sân vận động và 1,5 triệu đô la cho mái vòm.

Vì kèo thép vòng và lamella của kết cấu mái vòm lắp dựng một phần

Astrodome là một tòa nhà khung thép và bê tông hình tròn có mái vòm. Một trong những thách thức lớn nhất của dự án là cấu trúc mái vòm. Mái vòm phải có giá cả phải chăng và thẩm mỹ. Về mặt cấu trúc, mái nhà cũng phải chịu được tốc độ gió bão và giảm thiểu sức gió. Hình dạng và cấu trúc của mái nhà cũng phải xem xét nhu cầu sưởi ấm/làm mát để giảm thiểu lượng không khí. Mặc dù vậy, nó vẫn yêu cầu sử dụng thiết bị có công suất làm mát khoảng 6.000 tấn lưu thông khoảng 2.000.000 feet khối không khí mỗi phút để làm mát và sưởi ấm sân vận động. Lượng không khí trong lành được yêu cầu là khoảng 200.000 khối mỗi phút, trong khi khói hoặc không khí nóng phải được đẩy ra khỏi đỉnh mái vòm.

Các đề xuất thiết kế cạnh tranh đã được đệ trình bởi các công ty quan tâm có kinh nghiệm và chuyên môn về kết cấu mái nhịp dài. Mỗi công ty đã gửi các thiết kế phù hợp với các thông số kỹ thuật được yêu cầu, bao gồm:

  • Hoạt tải mái 15 psf
  • Hoạt tải âm 2 psf
  • Tải trọng gió 40 psf (hoặc tải trọng từ thử nghiệm đường hầm gió sử dụng vận tốc gió duy trì là 135 dặm/giờ với gió giật 165 dặm/giờ)
  • Tĩnh tải: Trọng lượng bản thân của kết cấu
  • Tĩnh tải bổ sung: Sàn Tectum dày 3 inch trên tee bóng đèn với cửa sổ trần bằng nhựa

Điểm độc đáo của Astrodome là tải bằng Sonic boom. Theo một định nghĩa đơn giản, Sonic boom là tiếng sấm nhân tạo do sóng xung kích từ máy bay bay với tốc độ nhanh hơn âm thanh. Sóng xung kích tỏa ra từ mặt phẳng theo hình nón gây áp lực. Khi cạnh dưới của hình nón áp lực chạm vào mặt đất, sóng xung kích được nghe như một tiếng nổ. Tốc độ của âm thanh là 1.125 feet/giây hoặc 767 dặm một giờ. Tốc độ này thường được gọi là Mach 1. Sau khi Charles Elwood Yaeger, một sĩ quan Không quân Hoa Kỳ, phá vỡ rào cản âm thanh vào năm 1947 bằng cách lái chiếc máy bay Bell X-1, đã có rất nhiều sự phấn khích và thảo luận về các chuyến bay thương mại bay ở tốc độ lớn hơn. hơn âm thanh. Nghiên cứu về các chuyến bay siêu thanh bắt đầu một cách nghiêm túc vào năm 1955. Bởi vì địa điểm được chọn cho Astrodome chỉ cách Sân bay William P. Hobby khoảng 8 dặm, nên điều đó được coi là thận trọng khi xem xét tải trọng của sự bùng nổ âm thanh này để thiết kế cấu trúc mái nhịp dài của Astrodome. Thật vậy, các chuyến bay thương mại siêu âm đã hoạt động ở Hoa Kỳ trong khoảng 30 năm, bắt đầu từ năm 1973.

Các thông số kỹ thuật cũng yêu cầu thử nghiệm mô hình tỷ lệ 1/8 trong đường hầm gió để xác minh lực gió tác động lên cấu trúc mái vòm.

Chín đề xuất đã được nhận cho thiết kế mái vòm và Roof Structures, Inc. đã được trao hợp đồng. Họ đề xuất sử dụng khung lamella thép cho cấu trúc mái vòm.

McDonnell Aircraft Corporation đã tiến hành thử nghiệm đường hầm gió mô hình Astrodome trong cơ sở đường hầm gió hàng không của họ ở St. Louis, Missouri. Các đường hầm gió hàng không như vậy tập trung vào luồng không khí đồng đều và không tính đến các đặc tính động và hỗn loạn của gió trong lớp ranh giới của trái đất, đây là mô phỏng thực tế hơn về tương tác của gió với các cấu trúc trên đất liền. Vào thời điểm đó, không giống như ngày nay, không có cơ sở đường hầm gió lớp ranh giới nào để thử nghiệm các cấu trúc kỹ thuật dân dụng trên đất liền. Cơ sở thử nghiệm đường hầm gió lớp ranh giới đầu tiên được xây dựng vào năm 1965 tại Đại học Western Ontario ở London, Canada. Do đó, sau khi các thử nghiệm mô hình Astrodome trong đường hầm gió hàng không hoàn thành, Tiến sĩ Herbert Beckman, Nhà khí động học và Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí tại Đại học Rice, được giữ lại để đánh giá kết quả thử nghiệm một cách độc lập. Trong báo cáo năm 1961 của mình, ông đã viết rằngcác mô hình phải chịu một luồng không khí ổn định trong khi gió bão bao gồm nhiễu loạn hạt nhỏ với đường kính gió giật thường không quá 100 hoặc 200 feet. Gió giật sẽ chỉ tạo ra một phần tải trọng của tòa nhà và do đó, sẽ kém hiệu quả hơn so với gió ổn định. Do đó, dữ liệu đường hầm gió được coi là cung cấp tải trọng vừa phải so với các điều kiện dòng chảy tương ứng trong bão. Astrodome đã thành công chống chọi với bốn cơn bão mà không có thiệt hại đáng kể nào kể từ khi được xây dựng.

Khung xương thép mái vòm

Phản ứng trên các cột đỡ mái vòm khi sử dụng kết quả thử nghiệm đường hầm gió rất gần với phản ứng được tính toán thủ công bởi Roof Structures. Để xác minh quy trình phân tích bằng cách sử dụng phép tương tự vỏ để thiết kế mái vòm, Roof Structures đã xây dựng một mô hình thử nghiệm được trang bị rộng rãi và chịu nhiều tải trọng khác nhau. Ngoài ra, thiết kế đã được nhiều chuyên gia đánh giá ngang hàng.

Khung xương thép mái vòm

Cấu trúc mái vòm lamella có hoa văn hình thoi trên bề mặt hình cầu. Các sườn vòm hoặc các thành phần vòng là giàn thép có độ sâu tổng thể là 5,5 feet. Kích thước hợp âm trên và dưới thay đổi từ mặt bích rộng WF 16 x 58 đến WF 16 x 78. Các thành viên web có hai góc, 31/2 inch x 31/2 inch x 1⁄4 inch. Các thanh ngắn giữa các thành viên vòng cũng là giàn thép sâu 5,5 feet. Các hợp âm trên và dưới của các giàn này thay đổi từ WF 14 x 30 đến WF 14 x 53. Đối với các giàn này, các thành viên web cũng có hai góc, mỗi góc 31/2 inch x 31/2 inch x 1⁄4 inch. Khung mái vòm lamella được đỡ trên một vòng căng, giàn có độ sâu 5 foot, 6 inch. Hợp âm trên cùng của giàn có độ căng cao này là WF 14 x 370 và hợp âm dưới cùng là WF 14 x 314. Một lần nữa, hai góc, 31/2 inch x 31/2 inch x 1⁄4 inch,

Tất cả thép kết cấu được sử dụng trong cấu trúc mái vòm lamella là thép ASTM A36. Các kết nối giữa các yếu tố khác nhau của khung lamella được thực hiện bằng cách sử dụng bu lông ASTM A325. Tất cả quá trình hàn được thực hiện bằng điện cực AWS E7018. Sự liên tục trong các thành viên hợp âm trên và dưới của vòng căng được cung cấp bằng cách sử dụng các mối nối hàn đối đầu xuyên thấu hoàn toàn.

Tường chắn bao quanh bằng bê tông

Cấu trúc mái vòm được hỗ trợ trên các cột thép WF 12 x 65 nằm ở mỗi năm độ xung quanh chu vi của mái vòm. Các cột này được thiết kế để cho phép di chuyển cấu trúc mái vòm về phía hoặc ra khỏi tâm nhưng không cho phép di chuyển từ các lực cắt tiếp tuyến do tải trọng gió bên. Điều này đã được thực hiện bằng cách sử dụng một thiết kế cột có khớp nối được hình thành bởi Ken Zimmerman, kỹ sư kết cấu chính của Astrodome tại Walter P Moore. Các cột có khớp nối có các chốt thép cường độ cao đường kính 4 inch ở mỗi đầu cột. Ổ trục dưới của chốt được hàn vào giá đỡ tấm của nó và mặt trên có thể tự do xoay trong một tấm vừa khít với bề mặt được phay. Neo được cung cấp ở phía trên để chống nâng bằng bu lông chữ U.

Tải trọng gió bên đã được chống lại bởi các đường cong có thanh giằng chữ X kéo dài sân vận động đến phần móng. Tuy nhiên, việc cung cấp hệ thống thanh giằng chữ X ở một số khu vực nhất định là không khả thi, do đó, khung thời gian đã được sử dụng để thay thế. Ngoài ra, do có 7 khe co giãn xung quanh chu vi của cấu trúc mái vòm nên mỗi khu vực biệt lập phải có hệ thống khung chịu lực ngang riêng.

Khung mái vòm yêu cầu chế tạo và lắp dựng 37 tháp chống đỡ bằng thép. Người dựng đã đặt khung mái vòm trong các cung hình tròn thành các cặp đối diện nhau, với 12 cung 30 độ mỗi cung. Việc lắp dựng thép gặp nhiều vấn đề vì các tiêu chí yêu cầu vòng căng thẳng đứng khi tải trọng chết được áp dụng. Các kích được đặt trên đỉnh của tháp lắp dựng để thực hiện các điều chỉnh khi quá trình lắp dựng tiến triển.

Sau khi căn chỉnh được xác nhận và tất cả các kết nối đã được thực hiện, các kích dần dần được rút lại trên tất cả các tháp. Một lần nữa, có sự quan tâm đáng kể đến độ lệch của mái vòm. Tại mỗi lần hạ kích, kiểm tra sự căn chỉnh của vòng căng và độ thẳng đứng của cột đỡ. Tuy nhiên, kết quả về độ thẳng đứng của các cột thay đổi hàng ngày. Điều này ban đầu là mối quan tâm của các kỹ sư của Roof Structures’ và Walter P Moore, cũng như các quan chức dân cử địa phương. Tuy nhiên, sau khi kiểm tra đi kiểm tra lại các số liệu giám sát một cách cẩn thận và kết luận rằng không có gì sai sót trong thiết kế của các cột đỡ, quyết định được đưa ra là rút các kích và giải phóng khung.

Chế độ xem bóng đá được thiết lập tại Astrodome

Việc giám sát độ thẳng đứng của cột vẫn tiếp tục, và thật ngạc nhiên, người ta quan sát thấy rằng các cột không ở trạng thái thẳng đứng một cách nhất quán mà thay đổi hàng ngày. Sau vài ngày, Ken Zimmerman phát hiện ra rằng sự thay đổi là do hiệu ứng nhiệt độ không được xem xét trong quá trình giám sát. Các cột cần được kiểm tra đồng thời vào những ngày liên tiếp để đảm bảo có sự thay đổi nhiệt độ tối thiểu. Sau khi quy trình giám sát được điều chỉnh, các cột được ghi nhận hoạt động như dự đoán. Độ lệch tải chết được tính toán là 1,88 inch. Khi các kích được thả ra và mái vòm không có bất kỳ tháp lắp dựng nào, độ lệch đo được nằm trong khoảng 0,25 inch so với dự đoán đó. Điều này rất chính xác do những hạn chế của quy trình thiết kế có sẵn vào thời điểm đó.

Vì mái vòm sẽ được lắp điều hòa nhiệt độ nên chênh lệch nhiệt độ 70 độ F đã được sử dụng trên hoặc dưới nhiệt độ cơ bản 60 độ F đối với ứng suất và chuyển động nhiệt độ. Chuyển động ngang của mái đối với nhiệt độ được xác định là +/- 1,80 inch. Đối với tải trọng gió thiết kế, chuyển động ngang là 5,5 inch. Điều này đặt ra thách thức cho các kiến ​​trúc sư và kỹ sư trong việc thiết kế khe co giãn ở phần rìa của kết cấu mái vòm tiếp giáp với mái bằng của sân vận động. Khớp cần được thiết kế cho tổng chuyển động là 11 inch. Nhóm thiết kế đã tạo ra một giải pháp hầu như không cần bảo trì. Giải pháp bao gồm một màn hình gắn vào vòng căng kéo dài ra ngoài lề bê tông trên mép mái sân vận động ngay bên dưới mái vòm.

Cấu trúc móng cho Astrodome rất đơn giản và dựa trên các đề xuất địa kỹ thuật của National Soils Services, Inc. Do đặc điểm cát của các tầng bên dưới, các khu định cư chênh lệch không đáng kể. Thật thú vị, 50 phần trăm nền móng được xây dựng trên cát nguyên chất nằm cách sân chơi 5 feet. Chỉ ở các móng kết hợp sâu 10 foot tại các khe co giãn mới gặp phải một số điều kiện ẩm ướt. Mực nước ban đầu ở độ cao 44 feet, độ cao của sân chơi là 33 feet và đáy của hố sâu nhất là 25 feet. Mực nước ngầm được hạ xuống bằng cách sử dụng hệ thống điểm giếng do Lockwood, Andrews & Newnam thiết kế để phù hợp với điều này. Hạ thấp mực nước ngầm là điều cần thiết trong quá trình xây dựng để duy trì điều kiện khô ráo và loại bỏ vĩnh viễn áp lực liên quan đến cột nước thủy tĩnh. Các ống thoát nước đục lỗ dưới lớp đã được lắp đặt khắp bên trong mái vòm và bao quanh bên ngoài của bức tường chu vi tầng hầm để ngăn chặn quá trình thoát nước vĩnh viễn. Hai trạm nâng khử nước đã được cung cấp trong chu vi của Astrodome – một ở góc phần tư phía đông nam và một ở góc phần tư phía đông bắc – vẫn đang hoạt động.

Đối với khoảng 60 phần trăm chu vi, tường chắn kéo dài từ tầng một đến tầng thứ tư của sân vận động với chiều cao 33 feet. 40 phần trăm còn lại của bức tường chu vi kéo dài từ tầng một đến tầng ba với chiều cao 25 ​​feet. Ba khái niệm đã được phát triển để thiết kế các bức tường:

  • Hệ thống phản lực
  • Tường giằng với các móng cột trong bằng thanh giằng chéo và thanh ngang giữa các móng
  • Buộc lại bằng cách sử dụng các sợi dự ứng lực cho các neo cố định xung quanh chu vi của kết cấu mái vòm.

So sánh chi phí của ba phương án chỉ ra rằng hệ thống sử dụng dây buộc và neo người chết là kinh tế nhất.

Một lớp đất đắp bằng cát thoát nước đã được sử dụng để giảm áp lực ngang của đất lên các bức tường chắn. Kỹ sư địa kỹ thuật đã tính toán áp suất chất lỏng tương đương theo phương ngang là 30 pcf. Tất cả các bức tường được thiết kế để kéo dài theo chiều ngang, với các thanh giằng được đặt nghiêng 2,5 độ xung quanh chu vi. Hai cấp độ ràng buộc đã được cung cấp sao cho các khoảnh khắc tường tích cực và tiêu cực bằng nhau. Thanh giằng phía dưới được đặt sát chân tường và thanh giằng thứ hai được đặt gần giữa chiều cao của bức tường.

Các sợi có đường kính 0,25 inch đã được sử dụng. Khoảng cách từ bức tường đến mỏ neo của người chết là khoảng 80 feet. Do các sợi cáp cần được chôn trong đất nên có mối lo ngại nghiêm trọng về khả năng bị ăn mòn qua nhiều năm và dẫn đến hao hụt mặt cắt ngang của các sợi cáp. Do đó, người ta đã quyết định sử dụng hệ thống bảo vệ catốt để bảo vệ các sợi khỏi tác động ăn mòn của đất.

Khi mái vòm được hoàn thành, Hoa Kỳ đã bước vào Thời đại Không gian với cơ sở của NASA đặt tại Houston. Tiền tố “Astro” trở nên rất phổ biến và đồng nghĩa với “khổng lồ”. Chủ sở hữu của đội MLB đã đổi tên họ từ Colt .45s thành Astros, và Sân vận động Harris County Domed trở thành Sân vận động Astrodome và được đặt tên là “Kỳ quan thứ tám của thế giới”.

Mặt bên dưới của kết cấu mái vòm lamella thép được tiết lộ

Vào cuối những năm 1990, các đội MLB và NFL đã chuyển đến các sân vận động mới – và thậm chí là một thành phố mới trong trường hợp của Oilers. Astrodome không hoạt động trong phần lớn thời gian ngoại trừ Houston Livestock Show và Rodeo hàng năm, được tổ chức lần cuối tại sân vận động vào năm 2002. Năm 2005, Astrodome được sử dụng làm nơi trú ẩn cho cư dân New Orleans bị ảnh hưởng bởi Bão Katrina. Đến năm 2008, Astrodome chính thức đóng cửa sau khi các thanh tra cho rằng nó không an toàn cho người ở. Vào năm 2014, Astrodome đã được liệt kê trong Sổ đăng ký Quốc gia về Địa điểm Lịch sử và đã nhận được Dấu mốc Lịch sử được Ghi nhận của Texas vào năm 2018. Đây là vinh dự cao nhất mà tiểu bang có thể trao cho một cấu trúc lịch sử. Nó cũng bổ sung một mức độ bảo vệ khác để đảm bảo Astrodome sẽ tồn tại trong tương lai gần.

Tác Giả Narendra K. Gosain, Ph.D., PE – Theo Structure Magazine

Bản quyền Copyright © 2011 cong trinh thep.

Địa chỉ: Thôn Tân Sơn 2 , Xã Tân Dĩnh , Huyện Lạng Giang , Tỉnh Bắc Giang. Văn Phòng: Minh Khai - Hà Nội

Điện thoại: 0966.357.123

congtrinhthepviet@gmail.com