Kết Cấu Vòm Thép

Kiến trúc vòm ra đời từ sự phát triển của kỹ thuật xây dựng vào những thời kì đầu của nền văn minh nhân loại. Ban đầu con người chỉ biết dùng đá gác lên nhau tạo nên không gian sống bên dưới, nhưng khi nhận thức tiến bộ hơn, yêu cầu cuộc sống cao hơn, con người đòi hỏi phải có không gian lớn hơn để có thể chứa được nhiều người hơn.

Hiện tại và tương lai kiến trúc vòm sẽ được con người thiết kế bằng kết cấu thép . Vậy trong kết cấu thếp Mái Vòm sẽ được làm như thế nào ? cùng Worldsteel tìm hiểu kết cấu vòm thép là gì ?

Kết cấu vòm thép là gì ? 

Kết cấu vòm thép nhà công nghiệp

Phổ biến nhất là vòm hai khớp, nhờ có sự quay tự do của khớp gối nên nên vòm có thể biến dạng được. Do đó không nảy sinh ứng suất khi thay đổi nhiệt độ và lún gối tựa.

Vòm ba khớp là hệ tĩnh định, móng nhẹ hơn, không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, song nội lực trong vòm lớn hơn so với vòm 2 khớp. Mặt khác, khớp ở đỉnh làm khó khăn cho cấu tạo vòm và mái.

Vòm không khớp có sự phân bố mômen tương đối đều hơn do đó tiết kiệm vật liệu nhất, nhẹ hơn so với kết cấu vòm hai khớp và ba khớp. Tuy nhiên, vòm không khớp yêu cầu kết cấu móng to hơn, chịu ảnh hưởng của lún.

Xem thêm: Kết Cấu Khung Thép Chịu lực

Kết cấu thép ngày nay đã được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các công trình xây dựng quy mô vừa và nhỏ, tính linh hoạt của nó cho phép các kiến trúc sư có thể linh hoạt biến tấu hình dáng kết cấu thép thành nhiều dạng, kể cả kiểu vòm.

Kết cấu vòm thép được hiểu là kết cấu thép dạng vòm, những kết cấu kiểu này mang đến cho người sử dụng sự thân thiện với môi trường, hiệu quả năng lượng, cũng như tính thẩm mỹ và độ bền vững cao.

Kết cấu vòm thép được ứng dụng chủ yếu cho những công trình công cộng quy mô lớn như nhà thi đấu, nhà để xe, hồ bơi, rạp hát hoặc nhà triễn lãm… Đây là kết cấu chịu lực trong công trình xây dựng. Kết cấu vòm thường được sử dụng khi người ta muốn tạo nhịp lớn, trong khi những vật liệu như gạch đá hay bê tông không làm được. Kết cấu vòm thép không chỉ giúp công trình của bạn tiết kiệm năng lượng mà nó còn góp phần làm tăng tính thẩm mỹ cho thiết kế.

Cấu tạo kết cấu vòm

Trục của vòm nên lấy gần trùng với đường áp lực để vòm chủ yếu chịu lực nén. Khi tải trọng tác dụng chính trên vòm là tải phân bố đều và đối xứng thì trục vòm nên thiết kế ở dạng parabol bậc 2.

Trong thực tế, để đơn giản cho thiết kế và chế tạo, trục vòm được thiết kế ở dạng cung tròn. Khi vòm có chiều cao lớn, tải trọng gió tác dụng hai chiều gây ra nội lực tương đối lớn thì trục vòm được xác định như hình bên dưới :

Ban đầu giả thuyết đường trục là một cung tròn (đường 1), sau đó tính đường cong của trục vòm do gió tác động hai chiều (đường 2), cuối cùng trục vòm (đường 3) là đường trung bình của hai đường 2 (vẽ lại thành đường 4).

Vòm thường kê gối lên các khung (bê tông hoặc thép), khung chịu lực xô ngang đồng thời kết hợp làm khán đài và các phòng chức năng. Khi vòm kê trực tiếp trên mặt đất thì không gian nhà ở gần chân vòm không sử dụng được do hạn chế về chiều cao. Để sử dụng được không gian này, phần gần gối vòm được làm thẳng. Với dạng đường viền này, kết cấu vòm làm việc gần giống hệ khung nhưng chi phí vật liệu sẽ giảm đi đáng kể.

Khớp vòm kết cấu thép

Gối khớp là bộ phận phức tạp nhất trong kết cấu vòm.

Khớp gối có 3 kiểu : khớp bản, khớp cối và khớp đu. Trong vòm rỗng, phần gần gối tựa được thiết kế sang dạng tiết diện đặc nên khớp gối của vòm rỗng và vòm đặc đều có cấu tạo giống nhau.

Khớp bản có cấu tạo đơn giản nhất và được sử dụng khi phản lực gối không lớn lắm.

Khớp cối dùng khi phản lực gối lớn hơn, gồm 2 vỏ trụ cứng tiếp xúc với nhau, bulong neo để gắn cối dưới vào móng. Tại vị trí truyền lực, bản bụng và bản cánh của vòm được gia cường bằng các sườn cứng.

Khớp đu dùng khi phản lực gối rất lớn (800 – 1200 kN).

Cấu tạo của khớp gối gồm 2 thớt : trên và dưới. Giữa hai thớt đặt một thanh trụ đặc (cổ trục). Vòm được gắn vào thớt trên qua tấm thép, hàn theo chu vi tiết diện vòm và bắt bulong vào thớt trên. Thớt dưới rộng hơn thớt trên để đảm bảo điều kiện ứng suất truyền vào móng nhỏ hơn cường độ chịu nóng của móng.

Với công trình lợp mái nhẹ, để đề phòng gió bốc có khả năng gây kéo ở chân vòm, ta bố trí bulong neo cho gối. Bulong được đặt dọc theo đường trục vòm để chúng không cản trở sự quay của khớp.

Khớp tại đỉnh vòm có thể dùng khớp bản hoặc khớp đu có cấu tạo tương tự như khớp gối. Khi vòm rất nhẹ, có thể dùng khớp đỉnh dạng tấm hoặc bulong. Cấu tạo của khớp dạng tấm gồm hai tấm thép đặt dọc theo trục vòm (không làm cản trở sự quay của tiết diện) để truyền lực dọc, các tấm thép này được mở rộng ra và để lỗ liên kết với giằn.

Xem công trình kết cấu thép :Ngắm nhìn những công trình kết cấu thép táo bạo nhất thế giới

Ưu nhược điểm của kết cấu vòm thép trong kết cấu thép

Ưu điểm:

1. Kết cấu vòm thép có tính bền vững cao, nó mang đến sự chắc chắn và bền vững cho công trình, mọi thiết kế vòm thép đều được tính toán cẩn thận, đảm bảo tính đồng bộ trong lắp đặt.
2. So với những kết cấu khác, kết cấu vòm thép mang đến hiệu quả năng lượng bền vững. Nhiệt được hấp thụ và thoát ra thông qua phần mặt tiếp xúc trực tiếp với môi trường bên ngoài. Mái vòm chính là một lớp cách nhiệt lý tưởng cho những công trình có không gian lớn, cần độ thoáng khí và thoát nhiệt tốt. Do diện tích bề mặt nhỏ nên năng lượng nhiệt cũng được chuyển giao tốt hơn, giúp công trình sau khi xây dựng không bị hầm bí.
3. Kết cấu vòm thép khi đưa vào sử dụng tỏ ra rất thân thiện với môi trường. Kết cấu vòm sử dụng các tấm lợp có chức năng chính là cách nhiệt, cách âm và lấy sáng, vì vậy nó giúp người sử dụng tiết kiệm tối đa điện năng tiêu tiêu thụ. Kết cấu vòm thép cũng dễ dàng tái chế lại, vì vậy nó góp phần không nhỏ trong việc bảo vệ môi trường.

Xem chi tiết :

Thiết Kế Kết Cấu Thép

Quy Trình Sản Xuất Kết Cấu Thép

Một ngôi nhà mái vòm cũng chỉ sử dụng khoảng 50-75% nguyên liệu so với những công trình xây dựng thông thường khác. Điều này giúp chủ đầu tư tiết kiệm được nhiều khoảng phí khác nhau như phí lắp đặt, phí thuê nhân công, phí bảo trì…

Nhược Điểm

1.  Khá cồng kềnh và nặng nề. Quá trình chuyên chở, tháo lắp khó khăn.
2.  Không gian sử dụng bị hạn chế
3.  Không gian bên trong công trình dễ ẩm ướt và ngột ngạt. Do đó, trước khi thiết kế nhà thầu và chủ đầu tư cần trao đổi kỹ về biện pháp khắc phục tình trạng này.

Tính thực tiễn của việc đưa kết cấu thép vào xây dựng để tạo ra các kết cấu mái vòm mang tính thẩm mỹ và đảm bảo an toàn đã được minh chứng như các công trình sân bay, nhà máy, nhà xưởng, nhà triển lãm...

Xem các ứng dụng kết cấu thép : 

Kết Cấu Thép Trong Xây Dựng 

 Kết Cấu Thép Nhà Dân Dụng

https://worldsteelgroup.vn/steel/ung-dung-xay-dung-nha-kho/