Kết cấu vòm thép là gì? Phân loại và ứng dụng của kết cấu

Kết cấu vòm thép đã không còn xa lạ trong các công trình xây dựng tạo nên sự độc đáo và sáng tạo cho công trình. Với những đặc điểm của nhà thép tiền chế, kết cấu này cũng đem lại nhiều lợi ích cho các công trình xây dựng. Bài viết dưới đây của Khu Công Nghiệp sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về loại kết cấu này và những ưu nhược điểm của nó.

Kết cấu vòm thép là gì?

Kết cấu mái vòm thép được hiểu đơn giản là kết cấu thép dạng vòm. So với kết cấu dầm và khung, kết cấu vòm có mô men uốn nhỏ hơn nên sẽ tiết kiệm vật liệu hơn. Loại kết cấu này mang đến tính thẩm mỹ cao, độ bền tốt cho công trình công nghiệp như triển lãm, cung văn hóa, bể bơi, nhà thi đấu,…

Các kích thước chính trong kết cấu vòm thép gồm nhịp L và mũi tên võng f, trong đó:

• f –  phụ thuộc vào điều kiện sử dụng, kiến trúc và kinh tế.
• Tỷ số lợi nhất f/L = ⅕ – ⅙ . Khi f tăng, mô men và lực dọc trong vòm sẽ được giảm. Vì các điều kiện về kiến trúc nên tối đa có thể lấy f/L =  ½ – ⅕ .

Đặc điểm của kết cấu vòm thép: Do lực xô ngang lớn nên phải tạo kết cấu chịu lực xô ngang như dây căng hoặc khung chịu xô ngang.

Vòm rỗng

Vòm rỗng là một loại kết cấu vòm được tạo ra bằng cách sử dụng các khung thép và các tấm vật liệu phẳng để tạo thành một cấu trúc hình vòm trống không có bất kỳ vật liệu nào ở giữa. Việc sử dụng cấu trúc vòm rỗng trong kết cấu thép trong công trình có thể tiết kiệm được vật liệu xây dựng và làm cho kết cấu nhẹ hơn, giảm chi phí vận chuyển và lắp đặt.

Do không sử dụng vật liệu nào để chống đỡ bên trong khung thép nên cấu trúc vòm rỗng sẽ không được rắn chắc như vòm đặc, tuy nhiên vòm rỗng vẫn được sử dụng rộng rãi trong các công trình hiện đại nhờ ưu điểm tạo được các không gian rộng lớn mà không cần sử dụng cột chống đỡ bên trong.

Để đảm bảo tính ổn định của kết cấu, các khung thép cần phải được thiết kế chắc chắn và gắn kết với nhau một cách chính xác. Bên cạnh đó, cần phải đảm bảo tính thẩm mỹ của kết cấu bằng cách sử dụng các tấm vật liệu phẳng có độ bền cao và sắc nét.

Vòm đặc

Vòm đặc là loại kết cấu được tạo ra bằng cách sử dụng các khung thép với các tấm vật liệu phẳng để tạo thành một hình vòm có các tấm vật liệu nằm ở giữa. Cấu trúc vòm đặc có nhiều ưu điểm như tăng tính thẩm mỹ, có sức chịu tải tốt, độ bền cao và khả năng tạo ra không gian rộng lớn mà không cần sử dụng cột chống đỡ bên trong.

Tuy nhiên, vì cần sử dụng thêm các tấm vật liệu nằm ở giữa nên cấu trúc này không có khả năng tiết kiệm được vật liệu xây dựng. Ngoài ra, vì có khối lượng lớn hơn so với vòm rỗng nên vòm đặc có thể làm tăng chi phí vận chuyển và lắp đặt.

Việc thiết kế và xây dựng vòm đặc cần đến kỹ thuật xây dựng và tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo cấu trúc vòm đặc đủ chắc chắn và an toàn. Các tấm vật liệu phẳng cần phải được thiết kế và lắp đặt một cách chính xác để đảm bảo tính ổn định và thẩm mỹ của kết cấu.

Các kiểu kết cấu mái vòm thép trong thi công

Theo như sơ đồ, kết cấu vòm thép được chia thành 3 loại:

• Vòm 2 khớp: Đây là loại vòm phổ biến nhất hiện nay nhờ có sự quay tự do của khớp gối nên vòm có thể biến dạng và không nảy sinh ứng suất khi nhiệt độ và lún ở gối tựa .
• Vòm 3 khớp: Vòm khớp này là hệ tĩnh định có móng nhẹ hơn và không chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, đồng thời nội lực trong vòm 3 khớp cũng lớn hơn so với vòm 2 khớp nên hạn chế được tình trạng bị lún trong quá trình sử dụng. Bên cạnh đó, khớp ở đỉnh gây khó khăn cho cấu tạo của vòm và mái.
• Vòm không khớp: Đây là thiết kế thuộc hệ siêu tĩnh bậc 3. Vòm này có sự phân bố mô men tương đối đều nên giúp tiết kiệm được rất nhiều vật liệu nhất, đồng thời nhẹ hơn so với kết cấu vòm 2 khớp và vòm 3 khớp. Tuy nhiên, loại vòm này yêu cầu kết cấu móng to hơn và chịu ảnh hưởng của lún gối tựa và nhiệt độ thay đổi.

Khớp vòm – Khớp gối

Khớp gối là bộ phận phức tạp nhất trong kết cấu mái vòm thép, có 3 kiểu khớp gối:

• Khớp bản: được sử dụng khi phản lực gối không quá lớn.
• Khớp cối: được sử dụng khi phản lực gối lớn hơn.
• Khớp đu: được sử dụng khi phản lực gối quá lớn từ 800 – 1200 kN.

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

Ưu điểm và nhược điểm của kết cấu mái vòm thép

Nhờ được làm bằng khung thép tiền chế nên kết cấu vòm thép thừa hưởng tất cả những ưu điểm của một nhà thép tiền chế, đồng thời cũng có một số hạn chế khác.

Ưu điểm

• Có độ bền vững tốt đảm bảo sự chắc chắn của công trình.
• Đáp ứng được yêu cầu về tính thẩm mỹ của hầu hết các loại công trình.
• Tiết kiệm tối đa chi phí và điện năng tiêu thụ.
• Vì sử dụng ít vật liệu nên kết cấu vòm thép rất thân thiện với môi trường.
• Có thể tái chế để sử dụng lại một cách dễ dàng.

Nhược điểm

• Có khối lượng nặng và cồng kềnh gây khó khăn trong quá trình chuyên chở, tháo lắp.
• Không gian sử dụng của vòm bị hạn chế khá nhiều.
• Khả năng chịu nhiệt của thép không được cao so với bê tông nên cần phải có các biện pháp chống cháy hiệu quả trước khi thi công.
• Do không gian kín nên bên trong công trình dễ ẩm ướt và ngột ngạt do đó nhà thầu và chủ đầu tư cần phải tìm biện pháp để khắc phục tình trạng này trước khi thiết kế thi công.
• Không gian sử dụng của vòm thép thường hạn chế hơn các loại mái khác. Ngoài ra, so với bê tông thì thép có khả năng chịu nhiệt và chịu cháy không tốt bằng.

Một số công trình ứng dụng kết cấu vòm thép

• Ga tàu

• Nhà thi đấu

• Bể bơi

• Mái che

Trên đây là khái niệm và ứng dụng của kết cấu vòm thép trong các công trình xây dựng. Chúng tôi hy vọng bài viết sẽ mang lại những thông tin hữu ích đến bạn.