Thiết kế kết cấu không gian giàn ống thép

Trong những năm gần đây, với sự tăng trưởng không ngừng của sản xuất thép ở Trung Quốc, Kết cấu thép ngày càng được sử dụng nhiều trong các tòa nhà nhờ những ưu điểm vượt trội. Kết cấu ống thép cũng đạt được những bước đột phá đáng kể. Ưu điểm lớn nhất của kết cấu ống thép là khả năng đáp ứng các yêu cầu chức năng, thẩm mỹ, và yêu cầu kinh tế của công trình. Kết cấu giàn ống thép được đặc biệt ưa chuộng vì những lợi ích độc đáo của chúng.

Thiết kế giàn ống thép

1. Đặc tính cơ học của kết cấu giàn ống

Kết cấu giàn ống được phát triển từ kết cấu lưới. So sánh với kết cấu giàn không gian, kết cấu giàn ống có những ưu điểm độc đáo và tính thực tế, với việc sử dụng thép tương đối tiết kiệm. Chúng loại bỏ sự cần thiết của các thành viên hợp âm thấp hơn và các khớp bi được tìm thấy trong các cấu trúc giàn không gian, làm cho chúng phù hợp với các hình thức kiến ​​trúc khác nhau, đặc biệt là những mái vòm hình tròn và những hình cong tùy ý, có lợi thế hơn cấu trúc giàn không gian. Chúng ổn định về mọi mặt và tiết kiệm nguyên liệu tiêu thụ.

So với phần mở truyền thống kèo thép (Thép hình chữ H và thép hình chữ I), vật liệu mặt cắt giàn ống phân bố đều quanh trục trung hòa, cung cấp khả năng chịu nén và xoắn tuyệt vời và độ cứng cao hơn, không cần tấm nút, làm cho cấu trúc đơn giản.

Điều quan trọng, kết cấu giàn ống có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng tạo hình, và có tác dụng trang trí. Họ có hiệu suất tổng thể tốt, độ cứng xoắn cao, và tương đối dễ sản xuất, cài đặt, quay, và vận thăng. Vách mỏng tạo hình nguội giàn mái thép nhẹ, cứng nhắc, tiết kiệm thép, và tận dụng tối đa sức mạnh vật chất. Chúng đặc biệt tiết kiệm trong các bộ phận nén và hệ thống hỗ trợ được kiểm soát tỷ lệ độ mảnh dài. Hiện nay, các tòa nhà sử dụng cấu trúc này chủ yếu là các tòa nhà công cộng. Cấu trúc này có tính thẩm mỹ (có thể được làm phẳng, cong, hoặc thành bất kỳ hình dạng cong nào), dễ dàng sản xuất và lắp đặt, cấu trúc ổn định, có độ cứng mái lớn, và lợi ích kinh tế tốt.

2. Tính toán kết cấu kết cấu giàn ống

2.1 Quy tắc thiết kế cơ bản

Chiều cao của giàn ba chiều có thể là 1/12 ĐẾN 1/16 của nhịp. Độ dày vòm của vòm ba chiều có thể là 1/20 ĐẾN 1/30 của nhịp, và chiều cao vòm có thể là 1/3 ĐẾN 1/6 của nhịp. Góc giữa dây cung (ống chính) và mạng (ống hỗ trợ), và giữa hai mạng (ống hỗ trợ), không được nhỏ hơn 30 độ. Đối với giàn ba chiều nhịp lớn (thường không nhỏ hơn 30m trong kết cấu thép), góc camber có thể được xem xét, với giá trị độ cong không vượt quá 1/300 của nhịp giàn (nói chung là 1/500). Tại thời điểm này, nội lực của các thành viên ít thay đổi, và thiết kế không thể được tính toán bằng cách sử dụng vòm. Dưới tải tĩnh tiêu chuẩn và tải trực tiếp, độ võng tối đa của kết cấu giàn ống không được vượt quá 1/250 của nhịp ngắn, và côngxon không được vượt quá 1/125 của nhịp. Độ võng tối đa của kết cấu mái có thiết bị cẩu treo không được vượt quá 1/400 của nhịp kết cấu. Khi chỉ cải thiện ngoại hình, độ võng tối đa dưới tải trọng tĩnh và hoạt tải tiêu chuẩn có thể được lấy bằng độ võng trừ đi giá trị phồng.

2.2 Nguyên tắc tính toán chung

Tính toán nội lực và chuyển vị của kết cấu giàn ống dưới tải trọng trọng lực và tải trọng gió, và tính toán chuyển vị và nội lực dưới tác động động đất, thay đổi nhiệt độ, hỗ trợ giải quyết, và tải trọng lắp đặt công trình theo điều kiện cụ thể. Sử dụng lý thuyết đàn hồi của hệ thanh không gian và phương pháp phần tử hữu hạn, có thể tính được nội lực và chuyển vị của hệ thanh không gian. Thiết kế không chịu động đất cần tính toán các tác động và tổ hợp tác động theo tiêu chuẩn quốc gia hiện hành. “Mã tải trọng kết cấu tòa nhà” và xác định giá trị nội lực thiết kế theo các hiệu ứng tổ hợp cơ bản của các tiết diện cấu kiện và thiết kế nút. Đối với thiết kế địa chấn, hiệu ứng tổ hợp địa chấn phải được tính toán theo tiêu chuẩn quốc gia hiện hành “Mã cho thiết kế địa chấn của tòa nhà”. Trong tính toán chuyển vị, độ võng cần được xác định dựa trên hàm tác động tiêu chuẩn kết hợp (không nhân hệ số từng phần của tải). Khi phân tích giàn ống, nếu tỷ lệ giữa chiều dài đoạn thành viên với chiều cao phần (hoặc đường kính) ít hơn 12 (ống chính) Và 24 (ống hỗ trợ), các nút có thể được coi là có bản lề. Theo nguyên lý tương đương tĩnh, tải bên ngoài có thể tập trung vào các nút trong vùng điều khiển nút. Khi một thành viên chịu tải cục bộ, ứng suất uốn cục bộ cần được xem xét riêng. Trong phân tích cấu trúc, cần xem xét sự tương tác giữa cấu trúc lưới không gian phía trên và cấu trúc hỗ trợ phía dưới.

2.3 Tính toán tĩnh

Kết cấu giàn ống cần được thiết kế với các cấu kiện tiết diện thông qua tính toán chuyển vị và nội lực. Nếu các phần thành viên cần điều chỉnh, chúng nên được thiết kế lại để đáp ứng yêu cầu thiết kế. Sau khi hoàn thiện thiết kế, cốt thép không nên được thay thế. Nếu cần thay thế do khó khăn về vật chất, phải tính toán lại và đáp ứng yêu cầu thiết kế. Nên tránh thay đổi các phần cấu kiện sau khi hoàn thành thiết kế trừ khi thực sự cần thiết do vấn đề về sẵn có vật liệu. Nếu những thay đổi xảy ra, kết cấu phải được tính toán lại để đảm bảo đúng yêu cầu thiết kế.

3. Những cân nhắc về thiết kế cho kết cấu giàn ống

3.1 Lựa chọn vật liệu và mặt cắt

• Lựa chọn vật liệu: Thép dùng trong kết cấu giàn ống phải đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn liên quan. Tiêu biểu, thép carbon, Thép hợp kim thấp, và thép cường độ cao được sử dụng. Việc lựa chọn nên xem xét các yếu tố như yêu cầu về kết cấu, Điều kiện môi trường, và tính khả thi về mặt kinh tế.
• Lựa chọn mặt cắt ngang: Phần rỗng hình tròn và hình chữ nhật thường được sử dụng cho giàn ống do khả năng chịu tải hiệu quả và tính thẩm mỹ của chúng. Việc lựa chọn giữa tiết diện hình tròn và hình chữ nhật tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của dự án, bao gồm các điều kiện tải và xem xét kiến ​​trúc.

3.2 Kết nối và khớp

• Hàn: Hàn là phương pháp phổ biến nhất để kết nối các cấu kiện trong kết cấu giàn ống. Quá trình hàn phải đảm bảo các mối nối có chất lượng cao, tránh các điểm yếu tiềm ẩn.
• Kết nối bắt vít: Mặc dù ít phổ biến hơn ở giàn ống, kết nối bắt vít có thể được sử dụng trong một số trường hợp nhất định, đặc biệt là dễ dàng lắp ráp và bảo trì.
• Thiết kế nút: Thiết kế các nút (khớp nơi các thành viên giao nhau) rất quan trọng trong kết cấu giàn ống. Các nút phải được thiết kế để truyền lực hiệu quả mà không gây ra sự tập trung ứng suất quá mức.

3.3 Xem xét tải động

• Tải trọng gió: Tải trọng gió cần được xem xét khi thiết kế kết cấu giàn ống, đặc biệt đối với các kết cấu nhịp lớn và những kết cấu tiếp xúc với tốc độ gió cao.
• Tải trọng địa chấn: Ở những vùng có hoạt động địa chấn, thiết kế phải tính đến tải trọng địa chấn, đảm bảo rằng cấu trúc có thể chịu được lực do động đất gây ra.
• Rung: Đối với các kết cấu chịu tải trọng động như máy móc hoặc hoạt động của con người, phân tích rung động có thể cần thiết để đảm bảo sự thoải mái và tính toàn vẹn của cấu trúc.

4. Xây dựng và lắp đặt

4.1 Sự bịa đặt

• Sản xuất chính xác: Chế tạo các bộ phận giàn ống đòi hỏi độ chính xác cao để đảm bảo tất cả các cấu kiện khớp với nhau một cách chính xác trong quá trình lắp ráp.
• Kiểm soát chất lượng: Cần áp dụng các biện pháp kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt trong quá trình chế tạo để đảm bảo rằng tất cả các bộ phận đều đáp ứng các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn thiết kế..

4.2 Vận chuyển và Xử lý

• Vận tải: Việc vận chuyển các cấu kiện giàn ống lớn phải được lên kế hoạch cẩn thận để tránh hư hỏng và đảm bảo vận chuyển đến chân công trình an toàn.
• Sự điều khiển: Phải tuân thủ các quy trình xử lý thích hợp trong quá trình dỡ hàng và định vị để ngăn ngừa hư hỏng cấu trúc và đảm bảo an toàn cho người lao động.

4.3 Lắp ráp và lắp đặt

• Kế hoạch lắp dựng: Cần lập kế hoạch thi công chi tiết, phác thảo trình tự lắp ráp và các phương pháp nâng và định vị các bộ phận.
• Các biện pháp an toàn: Phải thực hiện các biện pháp an toàn để bảo vệ người lao động trong quá trình thi công, bao gồm cả việc sử dụng giàn giáo, dây đai an toàn, và các thiết bị bảo hộ khác.
• Căn chỉnh và san lấp mặt bằng: Đảm bảo rằng tất cả các bộ phận được căn chỉnh và cân bằng chính xác trong quá trình lắp ráp là rất quan trọng đối với tính toàn vẹn về cấu trúc của giàn.

5. Bảo trì và kiểm tra

5.1 Kiểm tra thường xuyên

• Kiểm tra trực quan: Cần tiến hành kiểm tra trực quan thường xuyên để kiểm tra các dấu hiệu hao mòn, ăn mòn, hoặc thiệt hại.
• Kiểm tra không phá hủy: Các phương pháp như kiểm tra siêu âm hoặc chụp X quang có thể được sử dụng để phát hiện các khuyết tật bên trong các bộ phận hoặc khớp.

5.2 BẢO TRÌ

• Bảo vệ chống ăn mòn: Bảo trì thường xuyên lớp phủ bảo vệ và các biện pháp chống ăn mòn khác là điều cần thiết, đặc biệt đối với các công trình tiếp xúc với điều kiện môi trường khắc nghiệt.
• Sửa chữa và gia cố: Mọi hư hỏng được phát hiện cần được sửa chữa kịp thời, và cần gia cố thêm nếu cần thiết để duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc.

Phần kết luận

Kết cấu giàn ống thép mang lại lợi thế đáng kể về mặt thẩm mỹ, hiệu suất kết cấu, và hiệu quả vật chất. Thiết kế phù hợp, sự bịa đặt, cương cứng, và bảo trì là điều cần thiết để nhận ra đầy đủ những lợi ích này. Bằng cách tuân thủ các nguyên tắc thiết kế đã được thiết lập và các phương pháp hay nhất, các kỹ sư có thể tạo ra sự bền bỉ, tiết kiệm, và các cấu trúc giàn ống hấp dẫn trực quan đáp ứng nhu cầu của kiến ​​trúc và xây dựng hiện đại.