Các Tòa nhà Hiện đại Dựa vào Khung Kết cấu Nâng cao

Trong kỹ thuật kết cấu, một cấu trúc khung bao gồm các thành phần liên kết được thiết kế để thực hiện các chức năng cụ thể. Là một dạng kết cấu chính, các cấu trúc khung kết hợp dầm, cột và tấm để chịu được cả tải trọng thẳng đứng và ngang. Ứng dụng của chúng trải rộng trên nhiều loại hình xây dựng, đặc biệt là nơi cần có khả năng chịu tải trọng lớn.

Bản chất của các cấu trúc khung nằm ở thành phần khung của chúng. Một mạng lưới dầm và cột tạo thành bộ xương hỗ trợ. Dầm chịu tải từ tấm và tường, truyền các lực này đến cột, sau đó chuyển trọng lượng xuống móng, đảm bảo sự ổn định của kết cấu.

Cấu trúc khung bao gồm một số yếu tố thiết yếu:

• Dầm: Các thành phần nằm ngang chủ yếu chịu lực uốn, thường kết nối với cột và hỗ trợ sàn, mái hoặc các bộ phận kết cấu khác.
• Cột: Các bộ phận thẳng đứng chủ yếu chịu nén dọc trục, truyền tải trọng dầm đến móng.
• Tấm: Các bề mặt nằm ngang cung cấp các khu vực có thể đi lại trong khi hỗ trợ tải trọng của người ở, đồ đạc và thiết bị, thường được xây dựng bằng bê tông cốt thép và được hỗ trợ bởi dầm.
• Tường: Được phân loại là chịu lực (hỗ trợ tải trọng kết cấu) hoặc không chịu lực (phục vụ mục đích phân chia không gian).
• Móng: Các kết cấu nền truyền tải trọng xuống đất, được thiết kế theo khả năng chịu tải và yêu cầu ổn định của đất.

• Khung thép: Sử dụng các thành phần thép cường độ cao với độ dẻo tuyệt vời, lý tưởng cho các tòa nhà cao tầng và các kết cấu có nhịp lớn.
• Khung bê tông: Sử dụng bê tông cốt thép để có độ bền và khả năng chống cháy vượt trội, đại diện cho loại khung phổ biến nhất.
• Khung gỗ: Sử dụng các thành phần gỗ nhẹ, dễ gia công, thường dùng cho xây dựng nhà ở thấp tầng.

• Khung giằng: Có các kết nối dầm-cột được chốt truyền chỉ các lực dọc trục và lực cắt, thường yêu cầu giằng chéo để ổn định.
• Khung chịu mô-men: Kết hợp các kết nối cứng có khả năng truyền mô-men uốn, mang lại độ cứng lớn hơn cho các ứng dụng cao tầng.

• Khung bóng: Kỹ thuật gỗ truyền thống với các thành phần thẳng đứng liên tục từ móng đến mái.
• Khung không gian: Các kết cấu giàn ba chiều kết hợp thiết kế nhẹ với độ bền cao, phù hợp với mái có nhịp lớn.
• Khung cổng: Khung được kết nối cứng thường được sử dụng trong các cơ sở công nghiệp.
• Khung A: Các cấu hình hình tam giác đặc biệt thường thấy trong kiến trúc dân dụng.

Cấu trúc khung phân phối tải trọng thông qua một con đường xác định:

1. Tấm/mái nhận tải trọng trực tiếp và môi trường
2. Dầm truyền các tải trọng này đến cột
3. Cột chuyển hướng lực đến móng
4. Móng phân phối trọng lượng xuống đất

Cấu trúc khung mang lại nhiều lợi ích:

• Xây dựng nhanh chóng thông qua chế tạo sẵn
• Tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao
• Hiệu suất địa chấn tuyệt vời
• Khả năng thích ứng cho các tòa nhà nhiều tầng
• Độ cứng và ổn định vượt trội
• Cấu hình không gian linh hoạt
• Sử dụng vật liệu hiệu quả
• Quy trình phân tích và thiết kế đơn giản hóa

Tường kết cấu khung phục vụ các chức năng kết cấu hoặc phân vùng:

• Tường chịu lực: Thông thường là tường cắt chịu lực ngang
• Tường không chịu lực: Vách ngăn nhẹ để phân chia không gian

Các yếu tố thiết kế tường bao gồm các đặc tính vật liệu, sự tích hợp kết cấu và các chi tiết kết nối với khung chính.

Công nghệ kết cấu khung tiếp tục phát triển với:

• Vật liệu xây dựng bền vững
• Hệ thống giám sát thông minh
• Chế tạo sẵn theo mô-đun
• Vật liệu composite tiên tiến

Là một phương pháp xây dựng cơ bản, các cấu trúc khung vẫn rất quan trọng để tạo ra môi trường xây dựng an toàn, chức năng và có thể thích ứng. Những đổi mới liên tục hứa hẹn hiệu suất và tính bền vững được nâng cao trong thiết kế kiến trúc.