Tiểu luận Kết cấu Công trình 1 - Neue Nationalgalerie

ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HỒ CHÍ MINH 28-10-2017

TIỂU LUẬN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH 1 PHÂN TÍCH KẾT CẤU BẢO TÀNG NGHỆ THUẬT QUỐC GIA MỚI KTS MIES VAN DE ROHE SVTH: LÊ QUANG LỘC LỚP HP: 050012003

3

THÔNG TIN VỀ CÔNG TRÌNH LỰA CHỌN Bảo tàng Nghệ thuật Quốc gia Mới (The Neue Nationalgalerie) Kiến trúc sư: Mies van De Rohe. Địa điểm: Berlin, Đức.

Khởi công và hoàn tất: 1965 -1968 Kết cấu thép Mái kiểu lưới dầm hình vuông với khoảng vượt và chiều dài 64.8 mét.

Chiều cao: 10 mét.

Số cột: 8 cột, 2 cột mỗi cạnh.

Chiều cao thông thuỷ: 7.8m.

Bên trong trống hoàn toàn.

2

VỀ KẾT CẤU THÉP Là vật liệu xây dựng cứng nhất có thể khai thác từ trong lòng đất. Có vật liệu được cắt từ đá, được nung từ đất bùn đất sét, còn sắt thì được nấu chảy từ quặng kim loại tìm sâu trong lòng quả địa cầu. Từ thời cổ đại, sắt đã là vật liệu xây dựng cực kỳ cứng chắc.

Người thợ đã dập sắt rèn thành những cái móc, cái then để đỡ những phiến đá của những ngôi đền thời Cổ Đại, họ đóng chúng thành chuỗi để giữ ổn định những mái vòm của thời Phục Hưng. Những lò luyện kim của cuộc Cách mạng Công nghiệp đã khiến việc nấu và đúc sắt dễ dàng hơn. Những thanh thép này được luyện thành những cái cột, cái cung để dựng nên những cây cầu vĩ đại, những mái vòm cao ngất của Kỷ nguyên

Cơ khí. Và trong bước tiến đến Hiện đại, sự điều chỉnh thêm bớt Carbon trong hợp kim sắt đã tạo ra một kim loại còn cứng hơn sắt, đó là thép. Thép có độ cứng và độ dai vượt trội hơn sắt và có khả năng áp dụng cho mọi cấu kiện trong công trình. Sức mạnh của thép giúp nâng quy mô của công trình đến mức tối đa trong khi giảm sự hiện diện chiếm không gian của vật liệu đến mức tối thiểu. Thép là sản vật được kết tinh từ những chất rắn rỏi nhất trong lòng đất. Kết cấu thép đã cô đặc hình thái kiến trúc lại thành những hệ khung mảnh, cái đã vừa là ý niệm vừa là bản chất của công trình hiện đại.

3

VỀ CÔNG TRÌNH Bảo tàng Nghệ thuật Quốc gia Mới nằm ở giữa thành phố thủ đô Berlin. Tầng đế của công trình, nơi triển lãm thường xuyên của bảo tàng được xây chìm vào trong địa hình.

Phần đất dốc đã buộc Mies phải tiếp cận khu đất theo cách bám chặt công trình lấy khu đất. Đó là xây một khối đế lát đá hoa cương để tạo nên một mặt phẳng ngang ngay giữa địa hình trắc trở. Cái thể hiện nặng nề của khối này là để bù lại cho cái nhẹ nhàng của khối mái trông như đang lơ lửng ở phía trên.

Không thể nào lật ngược trật tự này lại vì sự hiện diện của nó thể hiện một mối liên hệ căn nguyên của hình thể kiến trúc với trọng lực Trái Đất: nơi cái nhà gặp đất mẹ là nơi nó tích tụ và cứng chắc.

Phần mái thép hình vuông có khoảng vượt tận 64,8m nhưng chỉ với tám cột chống, hai cột ở mỗi cạnh. Cấu trúc này tạo nên một ấn tượng khác thường. Phần mái ngang đang vươn ra cứ như sẽ che lấy cả thành phố chứ không chỉ mỗi phần sàn bên dưới. Mái này che cho một đại sảnh lớn với bốn phía đều được bao phủ bằng kính, đây là nơi trưng bày tạm thời và mở mới mọi người đi qua.

Nơi này tạo thành một không gian tập trung để đối lại phần đô thị lắt nhắt xung quanh công trình. Đại sảnh này đã bối cảnh hoá đô thị xung quanh, biến nó thành một phông nền cho những tác phẩm được đặt bên trong nó.

4

Bản mái bằng thép

Li tô bằng thép hình

Hệ lưới dầm

Cột thép

Kết cấu công trình Công trình sử dụng kết cấu mái nhịp lớn.

Phần mái này bao gồm ba lớp, bản mái bằng thép phủ hết diện tích mái đặt lên trên một hệ gồm những đơn vị có những thanh thép đan lại có chức năng làm việc như một hệ li tô đỡ mái, những thanh thép này được làm từ thép hình kích thước 50 x 50 mm. Mỗi đơn vị hệ li tô này được đặt trong từng ô trống hình vuông, 3.6 x 3.6 mét; tạo bởi hệ lưới

dầm gồm các thanh dầm thép, cao 1,8 m, với tiết diện định hình mỏng dập nguội (dày từ 30-65mm) và liên hết hàn lại với nhau tạo thành lưới, hệ này có chức năng phân bố đều tải trọng xuống cột. Hệ này có 324 ô cờ, khoảng vượt 64,8 mét và nặng 1250 tấn. Và cuối cùng là hệ cột, gồm 8 cột thép có tiết diện hình chữ thập, 0,87 x 0,87 mét.

5

Đây là hệ siêu tĩnh đối xứng do có nhiều liên kết thừa và chịu tải trọng đối xứng, cả bản thân nội lực cũng có tính chất đối xứng. Như thấy ở trên sử dụng hệ dầm đan lại kiểu ô cờ làm tăng số lượng liên kết trong hệ nên kết cấu trở nên ổn định hơn, đồng thời ứng suất và biến dạng cũng nhỏ hơn để phù hợp với yêu cầu khoảng vượt của mái.

Sơ đồ làm việc của kết cấu mái kiểu lưới dầm

Về kết cấu lưới dầm (grid beam) Nguyên tắc làm việc của hệ này cũng giống như hệ dàn thanh không gian dạng lưới, tải trọng truyền theo hai phương, mọi phân tố dọc ngang đều tham gia chịu lực, nhưng chỉ khác ở cấu tạo thanh giàn. Thay vì là một thanh gồm các thanh trên, thanh dưới, thanh bụng, thanh đứng thì ở đây là một thanh dầm đặc kéo dài, ở trường hợp công trình nghiên cứu thì là thanh dầm thép hình cán mỏng. Điều này tăng khối lượng hệ, khiến hệ không còn là hệ dàn nhẹ, nhưng bù lại giảm được chiều cao dàn. Với dàn thanh rỗng thì chiều cao dàn h = (1/15 – 1/30) L, nhưng ở trường hợp của công trình nghiên cứu thì h =

1/50L (1,8m/64,8m), nhờ độ đặc của thanh nên độ võng được giảm thiểu nhiều so với hệ dàn. Mục đích là để tạo được tỉ lệ cân đối với chiều cao của công trình, vì tính chất một công trình văn hoá nên đề cao yếu tố thẩm mĩ.

Cột và gối tựa thì tuỳ theo yêu cầu bố trí, ở đây được bố trí theo kiểu con sơn, khoảng từ cột đến mép mái là 18 mét, khoảng giữa hai cột là 28,8 mét, đảm bảo nội lực phân bố đều trong mặt mái, phù hợp với bố cục đối xứng của công trình và nhất là ý đồ của Mies để tạo khoảng mở để thấy sự nhẹ nhàng của cấu trúc.

6

(1)

(2)

(3)

Phân tích Ta có một mặt bằng bố trí dầm của mái.

Những thanh dầm này có chiều cao và hình dáng như nhau, chỉ khác ở độ dày, được bố trí tuỳ theo nội lực. Màu vàng là những thanh dầm có tiết diện dày 30mm, chịu tải trọng ở biên và ở gần gối đỡ, những thanh màu hồng dày 40mm ở xa gối đỡ hơn, và những thanh màu xanh ở chính giữa, xa cột nhất và chịu momen uốn lớn nhất, dày đến 65mm. Ở đây ta đang xét đến những thanh dầm chịu tải trọng tập trung tại những điểm cách đều nhau 3,6 mét và ta sẽ xét 3 thanh dầm để thấy sự thay đổi trong nội lực của từng thanh: (1) thanh màu vàng ở cạnh, (2)

thanh màu vàng cuối cùng phía trong và (3) thanh màu xanh ở chính giữa.

7

Thanh 1: Mô men phân bố đều và có trị số nhỏ nhất nhờ nằm trên 2 gối tựa, nhưng cũng vì vậy lực cắt ở đây lại lớn nhất. Thanh đầm này chịu tải tốt.

Thanh 2: Biểu đồ có hình dạng khách thanh dầm biên. Mô men lớn hơn và có khả năng làm biến dạng dầm, nhưng lực cắt lại bé.

Thanh 3: Tương tự như thanh 2, mô men uốn ở đây có giá trị lớn nhất. Chắc chắn gây biến dạng võng lên dầm.

8

Sơ đồ cho thấy chuyển vị trong hệ kết cấu. Sơ đồ này dựa trên tải trọng bản thân của hệ mái, các cấu kiện, và tải trọng đặc biệt, tải trọng của tuyết trên mái vào mùa đông. Chuyển vị ở đây tương đối lớn, điểm cực đại ở trung điểm thanh dầm giữa đến 70mm. So với hình dạng và kích thước của công trình, nếu lấy trị số trên chia cho khoảng vượt 64,8 mét thì ta được tỉ lệ 1/100, có vẻ là quá lớn. Điều này cho thấy trọng lượng bản thân của kết cấu quá nặng. Nhưng kết cấu vẫn tương đối ổn định, vì chuyển vị chỉ gây nên biến dạng võng trên các thanh dầm.

9

Chi tiết cấu tạo Phần gối tựa kiểu nút khớp của cột có chức năng giữ ổn định hệ mái, giảm ảnh hưởng của sự xê dịch do ngoại lực và do sự nở vì nhiệt của vật liệu thép. Về mặt thẩm mỹ, hình dạng chữ thập của cột và đỉnh cột kiểu gối đáp ứng được ý hướng tạo sự nhẹ và rạch ròi về ngôn ngữ giữa cột và mái. Nhờ những ưu điểm mà vật liệu thép mang lại, những cây cột này mới có thể vươn đến độ cao mong muốn.

Do được làm từ những tấm thép dập mỏng hàn lại nên các cấu kiện cột và dầm có tiết diện nhỏ, dễ gây mất ổn định về chịu lực.

Thế nên các cấu kiện được hàn thêm các tấm chắn vuông góc để giải quyết bất ổn đó, đồng thời hỗ trợ cho thẩm mỹ công trình.

10

CÁC BƯỚC XÂY DỰNG PHẦN MÁI

Đặt thanh giữa

Xếp hai cấu kiện đã hàn sẵn ở hai bên

Nối lại

Lợp tấm mái

Tiếp tục kéo dài sang hai bên

Thêm tấm chắn để ổn định

11

MINH HOẠ CÔNG TRÌNH

12

KẾT LUẬN Nếu không nói đến một vài bất cập nhỏ do sự khác thường trong không gian và kết cấu, thì công trình là một sự thành công về mọi mặt. Nó có một cái thanh nhã, một sự chú trọng đến chi tiết, một lời phản hồi trầm lặng để khiến nó trở thành một trong những cấu trúc đậm chất nhất của thế kỷ 20.

Vào ngày phần mái được nâng lên để tám cây cột được gài vào, sau đó hạ xuống trên những cây cột đã được dựng đứng, Mies Van de Rohe, lái chiếc Mercedes của ông, đã đến để tận mắt theo dõi công trình. Ông đã đứng ngay dưới cái mái khi nó được nâng lên. Một tay dựa vào chiếc Mercedes, ông ngẩng lên nhìn một ngàn hai trăm năm mươi

tấn thép đang dịch chuyển trên đầu mà có thể đổ sập xuống ông bất kỳ lúc nào. Khi được hỏi về cảm giác khi đứng trong nó, ông trả lời:

“ Tôi muốn cảm ơn ai đã gia công thép, cảm ơn ai đã làm bê tông. Và cái lúc mà cái mái vĩ đại ấy đi lên mà không tạo ra một âm thanh nào, tôi đã choáng ngợp!”

Mies Van de Rohe

Đó phải chăng là cái cảm xúc mà một người làm kết cấu hướng đến?

13