Nguyên tắc thiết kế ổn định kết cấu thép

Tóm tắt: Là hình thức xây dựng chủ yếu trong thiết kế kiến ​​trúc, kết cấu thép được sử dụng rộng rãi trong thiết kế xưởng lớn, cầu và nhà cao tầng. Thép xây dựng được sử dụng trong kết cấu thép có nhiều ưu điểm như chống biến dạng, chống ăn mòn, chống động đất và yêu cầu bảo vệ môi trường nên có thể sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thiết kế kiến ​​trúc.

Khi kết cấu thép được sử dụng trong các dự án xây dựng, độ ổn định về kết cấu của chúng, như một chỉ số quan trọng, quyết định trực tiếp đến chất lượng và tuổi thọ của các tòa nhà. Dựa trên K-homeVới kinh nghiệm thiết kế kiến ​​trúc nhiều năm, bài viết này thảo luận về sự ổn định của kết cấu thép trong kỹ thuật xây dựng và cung cấp tài liệu tham khảo cho các vấn đề tương ứng.

Lời tựa

Trong sự phát triển lâu dài của công nghệ kỹ thuật xây dựng, kết cấu thép chiếm một vị trí quan trọng. Hiện nay, là một cấu trúc kiến ​​trúc chủ đạo, nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế kiến ​​trúc khác nhau, đặc biệt là trong nhà máy, cầu, sân bay, nhà hát, nhà siêu cao tầng. và các tòa nhà lớn khác.

Trong thế kỷ trước, do công nghệ luyện thép kém phát triển và hàm lượng carbon trong thép xây dựng cao nên độ bền và khả năng chống ăn mòn của nó khiến kết cấu thép không còn giá trị trong lĩnh vực thiết kế kiến ​​trúc, từng bị gạt ra ngoài lề và gần như bị loại bỏ.

Trong những năm gần đây, với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ luyện kim loại, thép xây dựng có độ bền cao, độ bền cao, chống ăn mòn đã được sản xuất rộng rãi, kết cấu thép lại được các kiến ​​trúc sư ưa chuộng và ngày càng được sử dụng nhiều trong các công trình khác nhau. Trong quá trình xây dựng, nó đã đóng một vai trò tích cực trong việc giảm trọng lượng kết cấu tổng thể của tòa nhà và cải thiện sự an toàn chung của tòa nhà.

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ xây dựng, việc sử dụng kết cấu thép ngày càng trở nên rộng rãi và các điều kiện sử dụng phức tạp khác nhau đã đưa ra một thử nghiệm nghiêm ngặt về độ ổn định của nó.

Khái niệm về kết cấu thép

Đúng như tên gọi, kết cấu thép là loại kết cấu công trình sử dụng thép làm nguyên liệu chính để xây dựng kết cấu. Thông qua các thành phần thép khác nhau như dầm thép, thép tấm và cột thép, hàn, tán đinh và các phương pháp kết nối khác được sử dụng để nối và lắp ráp để xây dựng các tòa nhà lớn. Kết cấu thép sử dụng nhiều loại thép làm vật liệu chính.

Khác với bê tông thông thường và các vật liệu xây dựng khác, thép có đặc tính nhẹ, độ bền cao, v.v. và có thể chịu được lực lớn hơn. Vì vậy, thiết kế kết cấu thép thường được sử dụng trong thiết kế các công trình có quy mô lớn và vừa. Kết cấu thép có kết cấu ổn định và không dễ bị biến dạng, có thể mang lại sự an toàn và ổn định tốt cho công trình. Tuy nhiên, trong một số trường hợp đặc biệt, sự mất ổn định của kết cấu thép cũng có thể xảy ra.

Có hai tình huống thường gặp: một là áp suất quá lớn tác động trực tiếp lên điểm cân bằng lực, dẫn đến ứng suất không đều lên toàn bộ kết cấu. Thứ hai là do các bộ phận kết cấu thép sử dụng lâu dài nên kết cấu bên trong gặp vấn đề như mệt mỏi về tinh thần, kết cấu bên trong mất đi chức năng hỗ trợ dẫn đến kết cấu tổng thể mất ổn định.

Trước khi thiết kế kết cấu thép cần làm rõ đặc điểm ổn định của kết cấu này để có quy trình thiết kế có mục tiêu, tránh điểm yếu về kết cấu, phát huy tối đa ưu điểm của kết cấu thép, giúp kết cấu thép trong các tòa nhà phát huy tác dụng tốt hơn. vai trò.

Nguyên tắc cải thiện độ ổn định thiết kế của kết cấu thép

Độ ổn định của kết cấu thép là yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế kết cấu thép. Trong quá trình thực hành kỹ thuật và nghiên cứu lý thuyết lâu dài, các kỹ sư và kỹ thuật viên đã tóm tắt ba nguyên tắc thiết kế để cải thiện độ ổn định của kết cấu thép.

1. Nguyên tắc ổn định

Nguyên tắc ổn định của thiết kế kết cấu thép yêu cầu trong giai đoạn vẽ bản vẽ mặt bằng thiết kế kết cấu thép, bản vẽ mặt bằng kết cấu thép cần được vẽ theo yêu cầu tương ứng của các công trình khác nhau, tập trung vào việc đảm bảo các bộ phận đỡ trong bản vẽ thiết kế mặt bằng kết cấu thép và đảm bảo ổn định chống đỡ trong mặt bằng của công trường.

Sự ổn định của kết cấu thép trên mặt phẳng là cốt lõi và nền tảng cho sự ổn định tổng thể của toàn bộ kết cấu thép. Chỉ bằng cách đảm bảo rằng các thành phần của kết cấu thép vẫn ổn định trên mặt phẳng, chúng ta mới có thể tránh được sự mất ổn định của các vị trí riêng lẻ trong quá trình xây dựng ba chiều tiếp theo.

2. Nguyên tắc thống nhất

Tính toán chính xác là tiền đề và nền tảng của việc thiết kế kết cấu thép. Khi thiết kế khung kết cấu thép, phương pháp tính toán và các giá trị tham số dự kiến ​​cần được xác định theo mối quan hệ cân bằng giữa khung cụ thể và khung.

Bước này là mấu chốt để tính toán lực của toàn bộ thiết kế kết cấu thép. liên kết. Tuy nhiên, trên thực tế, nhiều nhà thiết kế sẽ dựa quá nhiều vào kinh nghiệm bản thân mà trực tiếp thực hiện tính toán ổn định của khung kết cấu thép theo kinh nghiệm của bản thân mà bỏ qua các bước tính toán cân bằng.

Phương pháp vận hành này thiếu số liệu tính toán khoa học và toàn diện, dễ gây ra sai sót trong tính toán mối quan hệ ổn định. Kết quả là, thiết kế kết cấu thép không đáp ứng được yêu cầu về cường độ kết cấu của tòa nhà, tiềm ẩn những nguy cơ mất an toàn.

Vì vậy, việc tính toán cân bằng và tính toán độ ổn định cần phải được thực hiện đồng thời, cả hai đều không thể thiếu và cần thống nhất.

3. Nguyên tắc hợp tác

Toàn bộ kết cấu thép bao gồm nhiều thành phần kết cấu thép đơn lẻ thông qua hàn, tán đinh, cố định vít và các phương tiện kết nối khác, và cuối cùng tạo thành một cấu trúc tòa nhà lớn. [3] Do đó, trong quá trình thiết kế kết cấu thép, phải xem xét sự phối hợp của các thành phần kết cấu khác nhau, các thành phần lớn hay nhỏ cần hợp tác với nhau và cuối cùng có thể kết hợp hoàn hảo thành một tổng thể kết cấu thép vững chắc. Trong thiết kế kết cấu thép, không thể chỉ xem xét độ ổn định của một bộ phận kết cấu thép mà phải xem xét các điều kiện của tất cả các bộ phận một cách toàn diện và phải thực hiện tính toán kết hợp chính xác. Chỉ khi mỗi bộ phận được kết hợp hoàn hảo thì toàn bộ cấu trúc mới có độ ổn định cao, phát huy tối đa vai trò của từng bộ phận và đảm bảo sức mạnh tổng thể của cấu trúc.

Những điểm chính của thiết kế ổn định kết cấu thép

1. Thiết kế lực lượng

Một trong những chỉ số quan trọng nhất của kết cấu thép là mức độ căng thẳng của nó. Khi thiết kế, khả năng chịu lực của kết cấu thép là điều cần quan tâm đầu tiên.

Kết cấu thép thường áp dụng thiết kế hình chữ T hoặc hình chữ L, được coi là sự ổn định của kết cấu. Việc sử dụng hai hình dạng này có thể phân tán tốt trọng lượng tổng thể của tòa nhà và đạt được mục đích hỗ trợ cân bằng.

Trong thực hành kỹ thuật xây dựng, kết cấu thép là kết cấu phổ biến ở ngoại vi của một tòa nhà, có vai trò hỗ trợ tòa nhà. Trong thiết kế tổng thể của tòa nhà, việc sử dụng kết cấu thép phải tuân theo nguyên tắc đối xứng càng nhiều càng tốt.

Mục đích là để cho phép mỗi kết cấu thép chịu lực của toàn bộ tòa nhà một cách đồng đều và ngăn chặn các kết cấu thép riêng lẻ chịu áp lực quá nhiều hoặc quá ít.

Ngoài ra, các yêu cầu về ứng suất và độ ổn định đối với các bộ phận khác nhau của kết cấu thép cũng khác nhau. Ví dụ, yêu cầu đối với phần đỡ cố định trong kết cấu thép là chống dịch chuyển nên khả năng chịu lực của bộ phận này đòi hỏi phải cao, nhưng đối với khung dầm thép ngoài vai trò đỡ theo chiều dọc còn có vai trò chống đỡ. cần thiết phải xem xét ngăn chặn nó xảy ra ở vị trí nằm ngang.

Đặc tính ứng suất của các bộ phận khác nhau của kết cấu thép phải được phản ánh trong thiết kế để tránh mất ổn định do chưa xem xét đầy đủ. Cuối cùng, hoạt động thi công cụ thể của kết cấu thép cũng rất quan trọng. Nhân viên thi công trên công trường phải tuân thủ nghiêm ngặt bản vẽ thiết kế, giảm thiểu sai sót trong thi công, tăng cường sự hợp tác lẫn nhau giữa các bộ phận, thực hiện thi công theo đúng tiêu chuẩn và tăng cường quản lý chi tiết.

2. Thiết kế chống ăn mòn

Các tòa nhà sẽ bị xói mòn dưới các điều kiện tự nhiên khác nhau khi được sử dụng trong các môi trường khác nhau. Trong môi trường sử dụng đặc biệt như độ ẩm và phun muối, do đặc tính vốn có của kim loại nên chúng dễ bị ăn mòn và ảnh hưởng đến độ ổn định.

Nhìn chung, vật liệu kim loại dễ bị ăn mòn điện hóa và ăn mòn hóa học. Khoa học vật liệu hiện đại đã phát triển lớp phủ chống ăn mòn cho các điều kiện môi trường khác nhau cho môi trường sử dụng kim loại dùng trong xây dựng.

Trong môi trường ẩm ướt, việc bôi sơn chống ăn mòn lên bề mặt kết cấu thép có thể cách ly nước và không khí, hai yếu tố chính gây ăn mòn kim loại và khiến kết cấu thép không bị ăn mòn. Đối với kết cấu thép sử dụng trong môi trường có độ mặn cao rất dễ gây ra hiện tượng ăn mòn điện hóa với các ion Natri có trong nước biển.

Theo nguyên lý phản ứng điện hóa, vật liệu kim loại trở thành một trong những sản phẩm. Phương pháp này có thể giải quyết được vấn đề về kết cấu thép. Vấn đề ăn mòn, để đảm bảo độ bền của kết cấu thép và đạt được sự ổn định của kết cấu.

3. Thiết kế liên quan đến độ ổn định

Trong quá trình thiết kế và thi công kết cấu thép, ngoài việc hoàn thiện việc tính toán ổn định còn cần tăng cường công tác kiểm tra toàn bộ kết cấu thép. Kiểm tra nghiêm ngặt là mắt xích quan trọng để đảm bảo vật liệu kết cấu thép đạt tiêu chuẩn và đáp ứng yêu cầu thiết kế. Phương pháp tính toán áp suất tới hạn là phương pháp phổ biến để dự đoán giá trị áp suất của kết cấu thép trong quá trình sử dụng thực tế và thường được sử dụng để thử nghiệm kết cấu thép.

Khi kết quả đo ứng suất lên kết cấu thép vượt quá giá trị tới hạn chứng tỏ độ ổn định của nó đã bị phá hủy và thiết kế ứng suất của kết cấu thép cần được điều chỉnh kịp thời để tránh mất ổn định.

Chú ý đến việc phân tích lực của từng bộ phận bên trong kết cấu thép, tối ưu hóa chi tiết lực của các bộ phận, tránh hiện tượng lực không đều và ảnh hưởng đến độ an toàn chung của kết cấu. Tóm lại, độ ổn định của kết cấu thép có ảnh hưởng quyết định đến độ an toàn và tuổi thọ chung của tòa nhà.

Trong quá trình thiết kế kết cấu thép, người thiết kế nên thực hiện các tính toán chính xác, xem xét toàn diện mối quan hệ lực giữa các bộ phận và xử lý thép chống ăn mòn tốt, tránh ở mức độ lớn nhất những khuyết điểm của kết cấu thép và đưa ra đầy đủ phát huy những ưu điểm của kết cấu thép, từ đó thúc đẩy sự tiến bộ không ngừng của thiết kế kiến ​​trúc.