Dàn giáo thép thực hiện chức năng gì và vì sao nó hoạt động hiệu quả
Một dàn thép là một khung kết cấu gồm các thanh liên kết với nhau tạo thành các tam giác, có tác dụng chuyển đổi tải uốn thành lực dọc trục thuần túy (kéo hoặc nén) trong từng thanh. Một dầm đặc chống lại mô-men uốn bằng cách phân bố ứng suất không đều trên mặt cắt ngang — vật liệu gần trục trung hòa đóng góp rất ít. Trong khi đó, dàn giáo đảm bảo mỗi kilôgam thép đều được tận dụng tối đa để chịu lực kéo hoặc nén dọc theo trục của thanh. Kết quả là một kết cấu có khả năng vượt nhịp lớn hơn nhiều so với dầm đặc cùng trọng lượng.
Sự phân chia thành tam giác, lực kéo và lực nén
Tam giác là đa giác duy nhất không thể thay đổi hình dạng nếu không thay đổi độ dài các cạnh. Một dàn thép tận dụng phương pháp này bằng cách chia một khung hình chữ nhật thành các tam giác. Dây chuyền trên chịu nén — lực đẩy hướng xuống do tải trọng mái, tuyết và trọng lượng bản thân. Dây chuyền dưới chịu kéo — lực kéo ngăn chặn giàn không bị xòe ra tại các gối tựa. Các thanh bụng — bao gồm các thanh đứng và thanh xiên — truyền tải trọng giữa hai dây chuyền. Việc xác định thanh nào chịu kéo hay chịu nén phụ thuộc vào cấu hình giàn và sơ đồ tải trọng, và đây chính là yếu tố phân biệt giữa các loại giàn khác nhau.
Ví dụ thực tế — Mái kho có nhịp 40 mét
Một kho logistics ở miền Đông Trung Quốc yêu cầu mái có nhịp thông thủy 40 mét — bất kỳ cột nội bộ nào cũng sẽ cản trở lối đi của xe nâng. Một dầm đặc sẽ cần chiều cao tiết diện gần 2 mét, làm giảm khoảng thông thủy theo chiều đứng và gia tăng trọng lượng bản thân. Một dàn thép — một cấu hình Pratt với độ sâu 3,2 mét — đã đạt được nhịp vượt bằng các tiết diện dầm chữ H cán nóng tiêu chuẩn. Các thanh chéo được bố trí sao cho các thanh dài hơn chịu kéo (hiệu quả đối với thép) và các thanh đứng ngắn hơn chịu nén. Tổng trọng lượng thép giảm khoảng 40% so với giải pháp dầm đặc tương đương, đồng thời phần bụng rỗng cho phép các ống dẫn, đường ống hệ thống phun nước chữa cháy và hệ thống chiếu sáng đi xuyên qua giàn thay vì treo bên dưới.
Bốn loại giàn thép chính
So sánh các giàn Warren, Pratt, Howe và Fink
Giàn Warren dàn thép sử dụng các tam giác đều hoặc tam giác cân với các thanh chéo xen kẽ và không có thanh đứng. Tải trọng luân phiên giữa kéo và nén trên các thanh chéo liên tiếp. Đây là loại giàn đơn giản nhất để chế tạo do chiều dài các thanh và góc nối lặp lại. Giàn Warren phù hợp với các nhịp từ 15 đến 60 mét, nơi độ cao không đổi là chấp nhận được và tải trọng phân bố đối xứng.
Giàn Pratt dàn thép định hướng các thanh chéo hướng ra ngoài và xuống dưới từ tâm về phía các điểm tựa, khiến các thanh chéo dài hơn chịu kéo và các thanh đứng ngắn hơn chịu nén dưới tải trọng trọng lực. Giải pháp này hiệu quả vì thép chịu kéo tốt hơn chịu nén — các thanh chịu kéo dài tránh được hiện tượng mất ổn định do uốn dọc (buckling). Dàn Pratt phù hợp với nhịp từ 20 đến 80 mét và là lựa chọn phổ biến nhất cho mái nhà công nghiệp.
Dàn Howe dàn thép đảo ngược cấu tạo dàn Pratt: các thanh chéo nghiêng vào trong và lên trên từ các điểm tựa, khiến các thanh chéo chịu nén và các thanh đứng chịu kéo. Giải pháp này kém hiệu quả hơn khi dùng thép (do các thanh chịu nén dài dễ bị mất ổn định do uốn dọc), nên dàn Howe thường được sử dụng nhiều hơn trong kết cấu gỗ. Khi dùng thép, dàn Howe được áp dụng trong trường hợp tải gió nâng lên làm đảo ngược sơ đồ tải trọng thông thường.
Dàn Fink dàn thép chia tam giác cơ bản thành các tam giác nhỏ hơn tỏa ra từ tâm, tạo thành một mạng lưới dạng quạt nhằm giảm chiều dài dây cung không được chống đỡ. Dàn giáo kiểu Fink là tiêu chuẩn cho các mái dốc dùng trong nhà ở và công trình thương mại nhẹ có khẩu độ từ 10 đến 25 mét — loại dàn này sử dụng ít thép trên mỗi mét vuông hơn so với dàn Warren hoặc Pratt đối với các khẩu độ ngắn đến trung bình có độ dốc lớn.
Lựa chọn dàn giáo phù hợp cho ứng dụng cụ thể
Khẩu độ, tải trọng, khoảng thông thủy và yêu cầu kiến trúc
Việc lựa chọn dàn giáo cho một dàn thép dự án bắt đầu bằng bốn câu hỏi. Thứ nhất, khẩu độ thông thủy là bao nhiêu? Thông số này xác định chiều cao dàn — thường bằng khẩu độ/10 đến khẩu độ/15 đối với mái, và khẩu độ/8 đến khẩu độ/12 đối với cầu. Thứ hai, các loại tải trọng là gì — tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời, tải trọng tuyết và tải trọng gió — bởi vì tải trọng không đối xứng có thể khiến dàn Pratt trở nên ưu việt hơn dàn Warren. Thứ ba, khoảng thông thủy theo phương đứng sẵn có là bao nhiêu? Một dàn thấp sẽ yêu cầu thanh biên nặng hơn; trong khi một dàn cao có thể gây xung đột với các hệ thống cơ điện. Thứ tư, dàn có được để lộ ra ngoài hay không? Một dàn giáo được phơi bày về mặt kiến trúc dàn thép trong một không gian công cộng có thể biện minh cho việc sử dụng họa tiết Warren trực quan ấn tượng, ngay cả khi Pratt về mặt kỹ thuật hiệu quả hơn một chút.
Các yếu tố cần xem xét trong thiết kế ngoài loại giàn giáo
Thiết kế mối nối, hệ giằng và bảo vệ chống ăn mòn
Một dàn thép chỉ mạnh ngang với các mối nối của nó. Các mối nối bulông kèm bản mã là tiêu chuẩn cho lắp ráp tại hiện trường — chúng cho phép điều chỉnh và kiểm tra được. Các mối nối hàn cung cấp độ cứng cao hơn đối với các giàn giáo được gia công tại xưởng và vận chuyển đến công trình ở dạng hoàn chỉnh. Hệ giằng ngang — kết nối các giàn giáo liền kề bằng vì kèo và thanh giằng chéo — ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định ngoài mặt phẳng của từng giàn giáo. Bảo vệ chống ăn mòn — mạ kẽm nhúng nóng cho các cấu kiện tiếp xúc ngoài trời theo tiêu chuẩn ISO 1461, sơn phồng nở cho các khu vực yêu cầu khả năng chịu lửa — phải được xác định rõ ngay từ giai đoạn thiết kế.
Các câu hỏi thường gặp
Các loại giàn giáo thép chính là gì?
Bốn loại chính dàn thép các loại là Warren (các thanh chéo xen kẽ, không có thanh đứng), Pratt (các thanh chéo dài chịu kéo dưới tải trọng trọng lực), Howe (các thanh chéo chịu nén dưới tải trọng trọng lực) và Fink (mạng dạng quạt dùng cho mái dốc). Mỗi loại tối ưu hóa lực tác dụng lên các thanh thành phần theo cách khác nhau.
Tại sao giàn Pratt lại phổ biến nhất trong các công trình nhà xưởng?
Giàn Pratt dàn thép đặt các thanh bụng dài hơn vào trạng thái chịu kéo và các thanh đứng ngắn hơn vào trạng thái chịu nén dưới tải trọng trọng lực. Thép hoạt động tốt hơn khi chịu kéo so với khi chịu nén — các thanh chịu kéo dài giúp tránh hiện tượng mất ổn định do uốn dọc — do đó giàn Pratt trở thành lựa chọn mặc định về mặt kết cấu hiệu quả nhất cho mái nhà xưởng.
Một giàn thép có thể đạt nhịp bao nhiêu?
Một dàn thép nhịp từ 10 mét đối với giàn Fink dùng cho mái nhà dân dụng đến hơn 100 mét đối với các giàn Warren hoặc Pratt sâu dùng trong nhà để máy bay và sân vận động. Chiều cao giàn tăng theo nhịp — thường bằng 1/10 đến 1/15 nhịp đối với mái.
Liên kết bulông hay liên kết hàn thì tốt hơn?
Liên kết bulông là tiêu chuẩn đối với các giàn lắp ráp tại công trường dàn thép các cấu trúc — chúng cho phép điều chỉnh và có thể kiểm tra được. Các mối nối hàn cung cấp độ cứng cao hơn và phù hợp với dầm giàn được chế tạo tại xưởng và giao nguyên bộ.
Dầm giàn Warren khác dầm giàn Pratt như thế nào?
Dầm giàn Warren dàn thép sử dụng các thanh chéo xen kẽ tạo thành các tam giác đều mà không có thanh đứng — dễ chế tạo. Dầm giàn Pratt bổ sung các thanh đứng và đặt các thanh chéo chịu kéo dưới tải trọng trọng lực — hiệu quả hơn khi sử dụng thép nhưng phức tạp hơn một chút.
Dầm giàn thép cần bảo vệ chống ăn mòn như thế nào?
Một dàn thép trong điều kiện tiếp xúc ngoài trời yêu cầu mạ kẽm nhúng nóng theo tiêu chuẩn ISO 1461 hoặc hệ thống sơn nhiều lớp. Dầm giàn thép trong nhà đặt ở khu vực khô ráo có thể chỉ cần sơn lót. Đối với ứng dụng yêu cầu khả năng chống cháy, phải sử dụng sơn phồng nở đạt độ dày màng khô quy định.
EN
