Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN CHỊU UỐN Chương này đề cập đến các cấu kiện chịu uốn cơ bản như dầm và dàn được cấu tạo từ các vật liệu cổ điển như gỗ, bê tông cốt thép và thép. Các cấu kiện chịu lực cổ điển này có ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng nhất định. Ngoài ra, để hướng tới phát triển bền vững, nhiều cấu kiện chịu lực mới được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu, tăng khả năng chịu lực mà vẫn đảm bảo hạn chế trọng lượng cấu kiện. Điển hình là cấu kiện thổi phồng, kết cấu dạng tensegrity và đặc biệt là sự phối hợp giữa cấu kiện thổi phồng và tensegrity để tạo nên cấu kiện chịu uốn dạng Tensairity – cấu kiện có khả năng chịu lực tốt, đồng thời hạn chế tối đa trọng lượng kết cấu.
Một số nghiên cứu về vật liệu vải kỹ thuật, ứng xử của dầm màng mỏng thổi phồng, ứng xử của dầm Tensairity cũng được đề cập đến trong chương này.1 Cấu kiện chịu uốn cổ điển Dầm là cấu kiện dạng thanh chịu tải trọng vuông góc với trục cấu kiện. Dầm thường được sử dụng như kết cấu chịu lực trong các công trình xây dựng. Dầm có thể được cấu tạo từ nhiều vật liệu khác nhau như: thép, bê tông cốt thép, gỗ… 1.1 Dầm thép Dầm thép được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng như cấu kiện chịu lực chính trong công trình thép hoặc công trình liên hợp thép – bê tông cốt thép. Tùy vào hình dạng công trình, không gian, ứng dụng.
mà người ta sử dụng những hệ kết cấu phù hợp. Cũng như các vật liệu khác, kết cấu thép cũng có những ưu và nhược điểm riêng. a) Dầm thép trong kết cấu thép b) Dầm thép trong kết cấu liên hợp Hình 1. Dầm thép trong công trình xây dựng Loại này có ưu điểm là hình dáng đa dạng ít phụ, có thể áp dụng linh hoạt cho mọi công trình; dễ sữa chữa, bảo dưỡng hoặc gia cường để nâng cao khả năng chịu THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ 4 lực; thi công nhanh, dễ đảm bảo yêu cầu về khả năng chịu lực. Tuy nhiên, dầm thép cũng có các nhược điểm cố hữu như: giá thành cao, vật liệu đa phần phải nhập khẩu từ nước ngoài, chịu lửa kém, chịu sự ăn mòn bởi tác động của môi trường, độ ẩm.2 Dầm bê tông cốt thép Bê tông cốt thép ngày nay được sử dụng rộng rãi trong nghành công nghiệp xây dựng và trở thành một trong những vật liệu được xây dựng chủ yếu trong và ngoài nước. a) Công trình xây dựng dân dụng b) Công trình giao thông Hình 1. Ứng dụng dầm bê tông cốt thép trong công trình xây dựng Loại kết cấu này sở hữu nhiều ưu điểm khiến nó ngày càng được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xây dựng như: đơn giản, dễ chế tạo, có thể sử dụng các loại vật liệu tại địa phương (cát, đá.); chịu lực tốt, tuổi thọ công trình cao, chi phí bão dưỡng ít; thiết kế và tạo hình dáng cho cấu kiện dễ dàng.
Tuy nhiên, bên cạnh các ưu điểm không thể bàn cãi thì loại kết cấu này cũng còn tồn tại một số nhược điểm nhất định như: trọng lượng bản thân lớn gây khó khăn trong việc xây dựng kết cấu vượt nhịp lớn bằng BTCT thông thường; bê tông cốt thép dễ có khe nứt ở vùng chịu kéo khi chịu lực, thông thương bề rộng khe nứt không lớn và ít ảnh hưởng đến chất lượng sử dụng của kết cấu; thi công phức tạp, khó kiểm tra chất lượng, gia cố hay sữa chữa.3 Dầm gỗ Gỗ là nguyên vật liệu được con người sử dụng rộng rãi và lâu đời. Ngoài việc được sử dụng để chế tạo các vật dụng thường ngày thì gỗ còn được sử dụng để làm kết cấu chịu lực chính trong công trình. Trước đây, kết cấu gỗ được sử dụng nhiều do vật liệu sẵn có, công nghệ thi công đơn giản. Tuy nhiên, thời gian gần đây, xu hướng sử dụng gỗ làm kết cấu chịu lực THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ 5 được giảm dần nhằm bảo vệ môi trường; ngoài ra kết cấu này có khả năng chịu lực không cao, khả năng chống xâm thực thấp. a) Nhà gỗ b) Cầu gỗ Hình 1. Một số dầm gỗ được sử dụng trong công trình xây dựng 1.4 Kết cấu dàn chịu lực Một trong các nhược điểm cố hữu của dầm là khả năng chịu lực không quá lớn và độ võng lớn khi vượt nhịp dài. Trong dầm, các vùng làm việc chính được phân bố ở vùng kéo và vùng nén của tiết diện, còn vùng bụng của dầm hầu như không làm việc.
Điều này không chỉ gây tốn kém về mặt vật liệu mà còn ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực và khả năng vượt nhịp của dầm. Để nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu và tăng khả năng chịu lực cho kết cấu, cần phải có biện pháp xử lý các vùng không tham gia chịu lực này. Kết cấu dàn từ đó ra đời - được tổ hợp từ các phần tử dạng thanh. Về mặt tổng quát, dàm cũng là cấu kiện chịu uốn như dầm, tuy nhiên dàn được thiết kế tối ưu hơn, loại bỏ được những phần không cần thiết, các thành phần của dàn hầu như chỉ chịu kéo hoặc nén nên có khả năng làm việc tốt hơn kết cấu dầm.
a) Dàn thép b) Dàn gỗ Hình 1. Kết cấu dàn trong công trình xây dựng THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ 6 So với dầm, kết cấu dàn được thiết kế tối ưu hơn nên chịu lực và vượt nhịp tốt hơn. Tuy nhiên việc chế tạo không hề đơn giản nên thường được áp dụng cho các công trình vượt nhịp lớn.2 Một số kết cấu chịu uốn mới 1.1 Dầm thổi phồng Kết cấu màng mỏng là những kết cấu được làm bằng vải kỹ thuật và được ổn định bằng cách tạo ra một ứng suất trước trong vải [1].
Dự ứng lực này được cung cấp trong màng mỏng bằng cách: - Đặt vào một ngoại lực làm căng màng mỏng. Đây là trường hợp của các kết cấu kéo căng. - Tạo ra một áp lực từ bên trong để chịu tải trọng bản thân và tải trọng bên ngoài. Đây là lĩnh vực nghiên cứu của kết cấu màng mỏng thổi phồng.
- Trong lĩnh vưc này, có hai loại kết cấu khác nhau: - Kết cấu được giữ vững bằng máy thổi khí: các kết cấu này được cấu thành từ một lớp màng mỏng, và khả năng chịu tải trọng bản thân và tải trọng bên ngoài phụ thuộc vào áp lực khí thổi vào. - Kết cấu thổi phồng: loại kết cấu này được cấu tạo với hai lớp màng mỏng. Kết cấu này tự chịu lực được, và tự tạo được hình dạng khi được thổi khí. Kết cấu này được bịt kín, một khi được thổi đầy khí rồi thì không cần phải cung cấp khí liên tục nữa.
Trong một vài trường hợp cụ thể, kết cấu bị xì, nó sẽ được liên kết với máy để giữ nguyên áp suất thổi phồng cho kết cấu. Đề xuất đầu tiên về 1 công trình thổi phồng được đưa ra bởi Frederick William Lanchester, người được cấp bằng sáng chế vì đã thiết kế thành công một bệnh viện dã chiến (xem Hình 1. Đó là một chiếc lều vải được thổi phồng với áp suất thấp. Kết cấu thổi phồng được sử dụng tạm thời THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ 7 Trong những năm tiếp theo, mô hình kết cấu thổi phồng đã được sử dụng trong phạm vi các hoạt động ngắn hạn như tạm trú khẩn cấp sau khi thiên tai, lều của Hội Chữ thập đỏ. Đấy là những trường hợp cần những chỗ lưu trú khẩn cấp, nhanh chóng và dễ tháo lắp Năm 1970, Hội nghị triển lãm tại Osaka Nhật Bản được tổ chức với chủ đề “Sự phát triển hài hòa của Nhân Loại “. Trong đó, chủ đề về cấu trúc vật liệu nhẹ trong xây dựng được nhắc đến rất nhiều, lý do là vì Nhật Bản là một nước thường xuyên xảy ra động đất. Từ thời điểm đó, mô hình kết cấu thổi phồng ngày càng phát triển và được áp dụng vào nhiều lĩnh vực chứ không chỉ trong việc xây dựng nhà tạm, ở đây sẽ là những công trình bền vững hơn, lâu dài hơn.
Có thể chỉ ra một số ví dụ như: bục danh dự tại Tour de France, những nhà kho thổi phồng, nhà mái vòm, và cả những nhà thờ thổi phồng… (xem Hình 1.6) Kết cấu thổi phồng cũng có thể được lựa chọn vì lý do thẩm mỹ. Các kết cấu dạng cong, màu sắc rực rõ, kết cấu đẹp và mê hoặc có thể được sử dụng để gây ấn tượng với người xem. Chính vì vậy, kết cầu thổi phồng có thể được xem như là một cuộc cách mạng của tương lai. Hai tác phẩm Leviathan và Air Forest (xem Hình 1.7) chính là những minh chứng rõ ràng nhất cho lập luận đó.
Một số công trình thổi phồng được ứng dụng trong đời sống Do trọng lượng nhẹ, các kết cấu màng mỏng thổi phồng này còn được sử dụng để làm những mái che khổng lồ, ví dụ như mái che sân vận động Minesota Metrodome ở Mỹ hay sân vận đông Tokyo Dome ở Nhật Bản (xem Hình 1. Việc sử dụng những mái che kiểu màng mỏng thổi phồng này giúp giảm đáng kể chi phí xây dựng so với một công trình thông thường. THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ 8 Hình 1.
Những sân vận động với mái vòm sử dụng kết cấu thổi phồng Trong một số trường hợp, những kết cấu màng mỏng thổi phồng này còn được sử dụng như là những yếu tố phụ được kết nối với những kết cấu chịu lực chính nhằm mục đích làm mới công trình, cũng như tăng tính thẩm mỹ. Ví dụ như trường hợp Trung tâm vũ trụ quốc gia của Anh và sân Allianz Arena ở Đức. Việc sử dụng các kết cấu dầm thổi phồng có nhiều lợi thế hơn khi so sánh với những kết cấu thông thường tương đương. Sau đây là những điểm nổi bật của kết cấu màng mỏng thổi phồng: - Nó rất nhẹ và chỉ chiếm ít thể tích lưu kho.
- Chi phí sản xuất thấp. - Thiết kế và chế tạo đơn giản hơn so với những kết cấu thông thường tương đương. Khi công nghệ này được áp dụng rộng rãi thì những ứng dụng mới sẽ trở nên đơn giản và dễ phát triển hơn. - Những dự án không gian thành công đã chỉ ra rằng kết cấu dầm thổi phồng có độ tin cây cao và dễ triển khai.