Cấu trúc kiến trúc - Sách tham khảo của G G Schierle (Đại học Nam California)

• Tác giả: G G Schierle
• Trường học: University of Southern California
• Chuyên ngành: Kiến trúc kết cấu
• Đề tài: Kiến trúc kết cấu
• Loại tài liệu: Sách tham khảo
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Los Angeles

Tóm tắt

I. Tổng quan về cấu trúc kiến trúc và nguyên lý cơ bản

Cấu trúc kiến trúc là hệ thống chịu lực chính trong mọi công trình xây dựng. Chúng truyền tải trọng từ mái, sàn xuống móng và nền đất. Lĩnh vực này kết hợp kiến thức vật lý, toán học và kỹ thuật. Các cấu trúc cơ bản bao gồm dầm, cột, khung và vòm. Mỗi loại có ưu điểm riêng về khả năng chịu lực và tính thẩm mỹ. Lịch sử phát triển cấu trúc kéo dài hàng nghìn năm. Từ kim tự tháp Ai Cập đến nhà thờ Gothic châu Âu. Mỗi thời đại đều có tiến bộ về vật liệu và kỹ thuật xây dựng. Ngày nay, thép và bê tông cốt thép là hai vật liệu phổ biến nhất. Kiến trúc sư cần hiểu nguyên lý cấu trúc để thiết kế công trình an toàn và hiệu quả. Kiến thức này giúp tối ưu hóa vật liệu và giảm chi phí xây dựng.

1.1. Định nghĩa và phạm vi nghiên cứu cấu trúc kiến trúc

Cấu trúc kiến trúc nghiên cứu cách các lực tác động lên công trình và cách chúng được truyền xuống đất. Phạm vi bao gồm tải trọng đứng (trọng lượng bản thân, tải sử dụng), tải trọng ngang (gió, động đất) và tải trọng đặc biệt. Mỗi loại tải trọng đòi hỏi giải pháp cấu trúc khác nhau. Dầm chịu lực uốn, cột chịu lực nén, dây cáp chịu lực kéo. Hiểu rõ các nguyên lý này giúp kiến trúc sư đưa ra quyết định thiết kế đúng đắn. Cấu trúc không chỉ đảm bảo an toàn mà còn tạo hình cho công trình.

1.2. Lịch sử phát triển và các mốc tiến bộ kỹ thuật

Lịch sử cấu trúc bắt đầu từ thời cổ đại với các công trình đá xếp chồng. Người La Mã phát minh vòm và mái vòm bằng bê tông nguyên thủy. Thời Trung Cổ, nhà thờ Gothic sử dụng hệ thống vòm gân và trụ bay. Cách mạng Công nghiệp mang đến sắt thép, cho phép xây dựng cầu và nhà cao tầng. Thế kỷ 20 chứng kiến sự ra đời của bê tông cốt thép và kết cấu thép hiện đại. Mỗi bước tiến đều mở rộng khả năng sáng tạo trong kiến trúc. Ngày nay, công nghệ CAD và vật liệu composite tiếp tục đổi mới lĩnh vực này.

II. Phân tích tải trọng và các vấn đề về độ ổn định cấu trúc

Tải trọng là yếu tố quyết định thiết kế mọi cấu trúc kiến trúc. Tải trọng chết bao gồm trọng lượng bản thân kết cấu và các bộ phận cố định. Tải trọng sống bao gồm người, đồ đạc và tải sử dụng tạm thời. Tải trọng gió và động đất là các tải trọng ngang nguy hiểm. Thiết kế phải đảm bảo công trình chịu được tổng hợp các tải trọng này. Độ ổn định là vấn đề then chốt trong kết cấu cao hoặc nhịp lớn. Cột dài có thể võng do hiện tượng uốn cong Euler. Dầm mỏng có thể mất ổn định bên dưới tải trọng nặng. Nền đất yếu gây lún không đều, làm nứt kết cấu. Phân tích chính xác tải trọng giúp tránh các hư hỏng và sụp đổ. Mỗi công trình cần được tính toán riêng theo điều kiện thực tế.

2.1. Các loại tải trọng và phương pháp tính toán tác động

Tải trọng được phân loại theo thời gian tác động và hướng lực. Tải trọng đứng bao gồm trọng lượng bản thân và tải sàn sử dụng. Tải trọng ngang gồm lực gió, áp lực đất và lực động đất. Hệ số tải trọng được áp dụng để đảm bảo an toàn trong tính toán. Phương pháp LRFD sử dụng hệ số tải trọng và hệ số kháng lực riêng biệt. Tải trọng tập trung và tải trọng phân bố đều đòi hỏi cách tính khác nhau. Ví dụ, tải trọng trên dầm được tính bằng tích diện tích sàn và áp suất đơn vị. Kiểm tra cân bằng đứng và cân bằng mô men là bước cơ bản.

2.2. Các vấn đề về độ ổn định và cơ chế phá hủy

Độ ổn định cấu trúc liên quan đến khả năng giữ hình dạng dưới tải trọng. Hiện tượng võng Euler xảy ra khi cột quá dài so với tiết diện ngang. Độ võng tỷ lệ nghịch với bình phương chiều dài và tỷ lệ thuận với tải trọng. Dầm có thể mất ổn định bên do nén cánh trên và uốn bản thân. Mất ổn định cục bộ gồm võng bản và võng mạng dầm. Giải pháp gồm giảm khẩu độ, tăng tiết diện hoặc sử dụng hệ giằng. Độ ổn định tổng thể đảm bảo công trình không lật hoặc trượt ngang. Thiết kế phải xem xét cả tải trọng đứng và tải trọng ngang phối hợp.

III. Giải pháp thiết kế và phương pháp tính toán kết cấu hiện đại

Thiết kế kết cấu hiện đại sử dụng hai phương pháp chính là ASD và LRFD. ASD (Allowable Stress Design) dựa trên giới hạn ứng suất cho phép của vật liệu. LRFD (Load and Resistance Factor Design) sử dụng hệ số tải trọng và kháng lực. Phương pháp LRFD được ưa chuộng vì tính chính xác và kinh tế hơn. Thiết kế bê tông cốt thép sử dụng phương pháp cường độ, tính theo giới hạn chịu lực cuối cùng. Thiết kế thép sử dụng tiết diện compact để tránh mất ổn định cục bộ. Phần mềm máy tính hỗ trợ tính toán phức tạp và mô phỏng tải trọng. Thiết kế cho gió và động đất đòi hỏi phân tích động lực học đặc biệt. Giải pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm giúp đảm bảo an toàn công trình.

3.1. Phương pháp ASD và LRFD trong thiết kế thép và bê tông

Phương pháp ASD giới hạn ứng suất làm việc của vật liệu ở mức an toàn. Hệ số an toàn thường từ 1.5 đến 2.0 tùy loại tải trọng và vật liệu. LRFD áp dụng hệ số tải trọng lớn hơn 1.0 và hệ số kháng lực nhỏ hơn 1.0. Phương pháp này phản ánh chính xác hơn độ không chắc chắn trong tải trọng và vật liệu. Thiết kế bê tông cốt thép theo phương pháp cường độ tính đến trạng thái giới hạn cuối cùng. Thiết kế thép theo LRFD kiểm tra cả trạng thái giới hạn sử dụng và trạng thái giới hạn cuối cùng. Cả hai phương pháp đều được tiêu chuẩn xây dựng quy định rõ ràng.

3.2. Thiết kế cho tải trọng gió và tải trọng động đất

Tải trọng gió tác động ngang lên bề mặt công trình theo áp suất và lực hút. Giá trị tải trọng gió phụ thuộc vào tốc độ gió, hình dạng công trình và độ cao. Tải trọng động đất tính theo phương pháp phổ đáp ứng hoặc phân tích thời gian thực. Hệ thống chống động đất gồm khung cứng, hệ giằng chéo và vách cắt chịu lực. Thiết kế phải đảm bảo công trình có đủ độ cứng và độ dẻo cần thiết. Các mối nối và chi tiết cấu tạo đóng vai trò quan trọng trong chịu lực động đất. Tiêu chuẩn thiết kế quy định hệ số gia tốc nền và hệ số điều kiện đất nền.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của cấu trúc kiến trúc

Cấu trúc kiến trúc là nền tảng cho sự an toàn và bền vững của mọi công trình. Kiến thức về kết cấu giúp kiến trúc sư sáng tạo trong thiết kế hình thức. Các hệ kết cấu nhịp lớn như vòm, lưới, cáp cho phép tạo không gian rộng lớn. Hệ kết cấu nhà cao tầng gồm khung, lõi, ống chịu lực hiệu quả. Ứng dụng thực tế đòi hỏi sự phối hợp giữa kiến trúc sư và kỹ sư kết cấu. Công nghệ mới như in 3D và vật liệu thông minh đang mở ra hướng đi mới. Thiết kế bền vững đòi hỏi tối ưu hóa vật liệu và giảm tác động môi trường. Tương lai của kiến trúc nằm ở sự kết hợp giữa sáng tạo và kỹ thuật tiên tiến.

4.1. Các hệ kết cấu phổ biến cho nhịp ngang và ứng dụng

Hệ kết cấu nhịp ngang được phân loại theo cơ chế chịu lực chính. Hệ chịu uốn gồm dầm đơn giản, dầm liên tục và dầm cantilever. Hệ chịu nén gồm vòm đá, vòm bê tông và hệ thống hình thức. Hệ chịu kéo gồm cáp treo, màng căng và kết cấu bơm hơi. Hệ kết cấu mạng lưới và khung không gian phân bố lực đều khắp kết cấu. Mỗi hệ phù hợp với loại công trình và khẩu độ nhịp khác nhau. Lựa chọn hệ kết cấu ảnh hưởng trực tiếp đến kiến trúc và chi phí xây dựng.

4.2. Xu hướng phát triển và vai trò của công nghệ mới

Công nghệ CAD và BIM hỗ trợ thiết kế và quản lý dự án hiệu quả. Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn mô phỏng chính xác hành vi kết cấu. Vật liệu mới như sợi carbon, vật liệu composite nhẹ và bền hơn thép truyền thống. In 3D cho phép tạo hình kết cấu phức tạp với chi phí thấp hơn. Kết cấu tham số hóa và thiết kế thuật toán mở ra khả năng hình thức mới. BIM tích hợp thông tin từ thiết kế đến thi công và vận hành. Công nghệ cảm biến giám sát tình trạng kết cấu trong suốt vòng đời công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

G G Schierle Architectural Structures G G Schierle Architectural Structures Excerpts ISBN 0-18-195009-x Copyright © G Schierle 1990-2006. All rights reserved University of Southern California Custom Publishing Portions of this document reproduce sections from the 2003 International Building Code, C/O Chauncey Jemes International Code Council, Falls Church, Virginia. All rights reserved. Los Angeles, CA 90089-2540 AISC data, copyright © American Institute of Steel Construction, Inc. e-mail:[e-mail] Reprinted with permission. All rights reserved Tel. [phone] USGS data copyright © United States Geological Survey, courtesy USGS Fax: [phone] Preface Acknowledgements To foster informed intuition for structures, this book has many illustrations I am grateful to many students and others for various contributions to this book, ranging visualizing structural behavior and to complement and clarify mathematical from suggestions to illustrations; most notably drawings by Bronne Dytog and June Yip; but also Xiaojun Cheng. Lucia Ho, Maki Kawaguchi, Ping Kuo, Jennifer Lin, Sassu Mitra, concepts. While the book is primarily targeted for students of architecture, Rick Patratara, Shina Rau, Srinivas Rau, Madhu Thangavelu, and Sharmilla Thanka. it also serves as reference book for students of civil engineering, and Students that provided data and comments include Laura Mae Bryan, Sabina Cheng, professional architects, engineers, and contractors. The book is organized Samy Chong, Claudia Chiu, Kristin Donour, Miriam Figueroa, Ping Han, Nick Ketpura, in six parts. Part I starts with an introduction of key developments in the Samuel Kuo, Jason Mazin, Neha Sivaprasad, Timothy Petrash, Musette Profant, Katie historic evolution of structures and proceeds to introduce loads on Rahill, Reed Suzuki, Bogdan Tomalevski, Carole Wong, Nasim Yalpani. Others that provided comments or material: include: Andrea Cohen Gehring, Jeff Guh, Robert Harris, buildings and basic systems to resist them. Part II introduces Theo Heizmann, Helge Wang, Will Shepphird, Robert Timme, Matt Warren, and Walter fundamentals: statics and strength of material, as well as analysis and Winkle. Architects and engineers that provided drawings include: Norman Foster, Von design of basic elements, such as beams and columns. Part III introduces Gerkan Marg, Arata Isozaki, David Lawrence Gray, Paul M. Kaufmann, Pierre Koenig, design methods: ASD and LRFD; design of masonry (ASD) and concrete Panos Koulermos, Edward Niles, Jörg Schlaich, James Tyler, Widom Wein Cohen, and (strength method); design for wind and seismic forces; as well as Dimitry Vergun. conceptual design, explored on case studies. Part IV introduces structure systems for horizontal spans, categorized by bending, axial, form, and tensile resistance. All systems are introduced with conceptual diagrams, describing their structural behavior and alternate options. Case studies describe their use in real projects. Part V introduces vertical structures in similar fashion. Part VI introduces material properties and details for wood, steel, masonry, concrete, and membrane structures. Appendices include math derivation, graphs and tables. Text and graphics are correlated on To my family the same page for easy reading and comprehension. Prerequisites for the book are algebra, trigonometry, and Newtonian physics. The book can be used in courses of statics and strength of material, structure systems and structural materials. Math derivations visualized help understanding and to introduce concepts also to readers with more artistic or visual modes of learning. The book includes many graphs to streamline complex tasks. The graphs, which feature US and SI units to facilitate correlation, include: • Design graphs for span limits and span/depth ratios • Column design graphs • Seismic design graphs • Wind design graphs Units Prefixes SI * units (metric) Conversion US units Prefix Factor Remark factor ** Remark Micro- 0.000001 Length Millimeter mm 25.4 Inch in MIli-, m 0.00001 Centimeter cm 10 mm 30.48 Foot ft 12 in Centi- 0.9144 Yard yd 3 ft Deci- 0.609 Mile mi 5280 ft Semi-, hemi-, demi- 0.5 Area Uni- 1 Square millimeter mm2 645.16 Square in in2 Bi-, di- 2 Sq. centimeter cm2 100 mm2 929 Square foot ft2 144 in2 Tri-, ter- 3 Square meter m2 1 Mil 0. yard yd2 9 ft2 Tetra-, tetr-, quadr- 4 Hectar ha 10000 m2 2.472 Acre Acre = 4840 yd2 Pent-, penta-, quintu- 5 Volume Cubic millimeter mm3 16387 Cubic inch in3 Sex-, sexi-, hexi-, hexa-, 6 Cubic centimeter cm3 1 k mm3 28317 Cubic foot ft3 Hep-, septi-, 7 Cubic meter m3 1 Mil cm3 0.7646 Cubic yard yd3 Oct-, oct-, octa-, octo- 8 Liter l 0.264 Gallon US gal = 3.785 liter Non-, nona- 9 Mass Dec-, deca-, deci, deka- 10 Gram g 28.35 Ounce oz Hect-, hector- 100 Kilogram kg 1000 g 0.4536 Pound Lb, # 16 oz Kilo-, k 1,000 Tonn t 1000 kg 0.4536 Kip k 1000 # Mega-, M 1,000,000 Force / load Giga-, G 1,000,000,000 Newton N 4.448 Pound Lb, # Kilo Newton kN 1000 N 4.448 Kip k 1000 # Tera- 1,000,000,000,000 Newton/ meter N/m 14.59 Pound/ ft plf Kilo Newton/ m kN/m 14.59 Kip/ ft klf 1000 plf Stress Pascal= N/m2 Pa 6895 Pound/ in2 psi Kilo Pascal kPa 1000 Pa 6895 Kip / in2 ksi 1000 Fabric stress Kilo Newton / m kN/m 175 Pound/ in Lb/in Fabric Load / soil pressure Kilo Pascal kPa 1000 Pa 47.88 Pound/ ft2 psf Moment Newton-meter N-m 1.356 Pound-foot Lb-ft, #’ Kilo Newton-m kN-m 1000 N- 1.356 Kip-foot k-ft, k’ 1000#’ Temperature Celcius °C .55(F-32) Fahrenheit °F Water freezing 0°C = 32°F Water boiling 100°C = 212°F * SI = System International (French - designation for metric system) ** Multiplying US units with conversion factor = SI units Dividing SI units by conversion factor = US units 5 Strength Stiffness Stability Contents 5-2 Force types PART I: BACKGROUND 5-3 Force vs. stress 1 Historic Evolution 5-4 Allowable stress 1-2 Walls 5-5 Axial stress 1-6 Post-and-beam 5-6 Shear stress 1-10 Arch, Vault, Dome 5-8 Torsion 1-21 Suspended 5-9 Principal stress 1-24 Truss 5-10 Strain 1-26 Skyscraper 5-10 Hook’s law 5-11 Elastic Modulus 2 Loads 5-14 Thermal strain 2-2 Introduction 5-14 Thermal stress 2-2 Dead load 5-17 Stability 2-4 Live load 2-5 Seismic load 6 Bending 2-6 Wind load 6-4 Bending and shear 2-8 Tributary load and load path 6-8 Equilibrium method 6-10 Area method 3 Basic Concepts 6-13 Indeterminate beams 3-2 Synergy, Strength, Stiffness, Stability 6-14 Flexure formula 3-3 Rupture length 6-15 Section modulus 3-4 Horizontal structures 6-16 Moment of inertia Slab, plate, deck (one & two-way) 6-18 Shear stress Beam, arch and cable 6-22 Deflection Truss 3-9 Vertical/lateral structures 7 Buckling Wall 7-3 Euler formula Cantilever 7-3 Slenderness ratio Moment frame 7-4 Combined stress Braced frame 7-5 Kern 7-6 Arch and vault PART II: MECHANICS 7-7 Wood buckling 4 Statics 7-12 Steel buckling 4-2 Force and moment 4-3 Static equilibrium PART III: DESIGN METHODS 4-4 Supports 8 ASD, LRFD, Masonry and Concrete Design 4-5 Reactions 8-2 ASD (Allowable Stress Design) 4-10 Static determinacy 8-3 LRFD (Load Resistance Factor Design) 4-13 Vector analysis 8-4 Masonry design (ASD) 4-15 Truss analysis 8-10 Concrete strength design (LRFD) 4-17 Funicular 4-21 Vector reactions 9 Lateral Force Design 13 Form-Resistant 9-2 Design for wind 13-2 Funicular concepts 9-8 Seismic design 13-4 Arch 9-13 SD-graphs 13-10 Vault 9-15 Analysis steps 13-17 Dome 9-18 Vertical distribution 13-23 Grid shell 9-19 Horizontal diaphragms 13-29 HP shell 9-22 Eccentricity 13-37 Freeform shell 9-23 Hazard configurations 9-24 Stability issues 14 Tensile Resistant 9-27 Seismic safety items 14-1 Tension members 14-2 Prestress 10 Conceptual Design 14-3 Stayed structures 10-1 System selection 14-8 Propped structures 10-3 Global moment and shear 14-10 Suspended structures 10-4 Radial pressure 14-17 Cable truss 10-5 Examples 14-21 Anticlastic structures 10-7 Case studies 14-42 Pneumatic structures 10-15 Portal method 10-17 Moment frame PART V: VERTICAL SYSTEMS 10-19 Braced frame 10-21 Test models 15 General Background 10-23 Sample projects 15-2 Tall structures 10-29 Computer aided design 15-3 Gravity load 15-4 Lateral load PART IV: HORIZONTAL SYSTEMS 15-7 Structure systems 15-11 Floor framing 11 Bending Resistant 15-12 Beam-column interaction 11-1 Bending concepts 11-3 Beam optimization 16 Shear Resistant 11-5 Joist, beam, girder 16-2 Classic walls 11-11 Vierendeel 16-3 Seismic failures 11-17 Folded plate 16-4 Shear walls 11-22 Cylindrical shell 16-6 Shear wall stability 16-7 Wood shear walls 12 Axial Resistant 16-10 Shear wall reinforcing 12-2 Truss Truss configurations 17 Bending Resistant Prismatic truss 17-2 Cantilever Folded truss 17-6 Moment frame 12-13 Space truss 17-13 Framed tube 12-22 Tree structures 17-16 Bundled tube 18 Axial Resistant 24 Fabric and cables 18-2 Braced frame 24-1 Material 18-8 Belt truss and outrigger 24-2 Fabric 18-12 Braced tube 24-4 Cables 18-16 Eccentric braced frame 24-10 Projects 19 Suspended high-rise Appendix A: Beam Formulas 19-2 Suspension rational A-2 Beam formulas 19-3 Design options A-3 Bending coefficients 19-3 Limits 19-4 Case studies Appendix B: Geometric Properties B-2 Centroid PART VI: MATERIAL B-4 Moment of Inertia B-6 Parallel Axis Theorem 20 Wood B-7 Radius of Gyration 20-1 Material B-8 Geometric properties 20-5 Heavy timber 20-13 Grid structures Appendix C: Lateral Design Data Balloon framing C-2 Wind design data Platform framing C-7 Seismic design data 20-29 Projects Appendix D: Material and Buckling Data 21 Steel D-2 Wood 21-1 Material D-8 Steel 21-7 Heavy steel 21-29 Light gauge steel Appendix E: Design Tables 21-33 Projects E-2 Span Ranges for Structure Elements E-3 Span Ranges for Structure Systems 22 Masonry 22-1 Material 22-7 Brick masonry 22-18 Concrete masonry 22-22 Stone masonry 22-23 Projects 23 Concrete 23-1 Material 23-4 Reinforced concrete 23-17 Prestressed concrete 23-20 Precast concrete 23-24 Tilt-up concrete 23-26 Projects This chapter on basic concept introduces: 3 • Structural design for: • Strength • Stiffness • Stability • Synergy • Rupture length (material properties, i., structural efficiency) Basic Concepts • Basic structure systems • Horizontal structures • Vertical / lateral structures for: o Gravity load o Lateral load 3-1 BACKGROUND Basic Concepts Strength, Stiffness, Stability, Synergy Structures must be designed to satisfy three Ss and should satisfy all four Ss of structural design – as demonstrated on the following examples, illustrated at left. 1 Strength to prevent breaking 2 Stiffness to prevent excessive deformation 3 Stability to prevent collapse 4 Synergy to reinforce architectural design, described on two examples: Pragmatic example: Beam composed of wooden boards Philosophical example: Auditorium design Comparing beams of wooden boards, b = 12” wide and d = 1”deep, each. Stiffness is defined by the Moment of Inertia, I = b d3/12 1 board, I = 12x13/12 I=1 10 boards I = 10 (12x13/12) I = 10 10 boards glued, I = 12x103/12 I = 1000 Strength is defined by the Section modulus, S = I/(d/2) 1 board, S = 1/o.5 S = 20 10 boards, glued, S =1000/5 S = 200 Note: The same amount of material is 100 times stiffer and 10 times stronger when glued together to transfer shear and thereby engage top and bottom fibers in compression and tension (a system, greater than the sum of its parts). On a philosophical level, structures can strengthen architectural design as shown on the example of an auditorium: • Architecturally, columns define the circulation • Structurally, column location reduces bending in roof beams over 500% ! 3-2 BACKGROUND Basic Concepts Rupture length Rupture length is the maximum length a bar of constant cross section area can be suspended without rupture under its weight in tension (compression for concrete & masonry). Rapture length defines material efficiency as strength / weight ratio: R=F/λ R = rupture length F = breaking strength λ = specific gravity (self weight) Rupture length, is of particular importance for long-span structures. The depth of horizontal span members increases with span. Consequently the weight also increases with span. Therefore the capacity of material to span depends on both its strength and weight. This is why lightweight material, such as glass fiber fabrics are good for long- span structures. For some material, a thin line extends the rupture length to account for different material grades. The graph data is partly based on a study of the Light weight Structures Institute, University Stuttgart, Germany 3-3 BACKGROUND Basic Concepts Horizontal structures Horizontal systems come in two types: one way and two way. Two way systems are only efficient for spaces with about equal span in both directions; as described below.