Hầu hết các vấn đề với mái quang điện tích hợp trong tòa nhà (BIPV) không phải do tính toán cấu trúc không chính xác mà do trình tự bố trí sai.
Một cách tiếp cận phổ biến là bố trí các xà gồ theo thiết kế tòa nhà, chọn khoảng cách số tròn thuận tiện—chẳng hạn như 1,5 m hoặc 1,2 m—sau đó lắp đặt các mô-đun quang điện lên trên. Trong khi lắp đặt được nửa chừng, nhóm có thể phát hiện ra rằng điểm hỗ trợ nằm cách mép mô-đun trong phạm vi 100 mm hoặc dây buộc rơi vào khu vực yếu của khung mô-đun. Các bản vẽ phải được sửa lại, tính toán lặp lại và tiến độ dự án có thể bị trì hoãn hai tuần.
Trình tự đúng là ngược lại: trước tiên hãy xác định kích thước mô-đun, thiết lập số lượng đường đỡ, tính toán khoảng cách xà gồ và chỉ sau đó chọn các phần xà gồ.
Hướng dẫn này giải thích toàn bộ quá trình, cung cấp phạm vi tham chiếu về khoảng cách xà gồ, kích thước tiết diện và mức tiêu thụ thép, đồng thời chỉ ra lý do tại sao độ võng thường trở thành hạn chế thiết kế chi phối trước khi cường độ xuất hiện.
Kích thước mô-đun PV xác định các đường hỗ trợ, xác định khoảng cách xà gồ
Hai thỏa thuận hỗ trợ cơ bản
Mô-đun quang điện có kích thước 2.278 × 1.134 mm có thể được đỡ trên xà gồ theo hai cấu hình cơ bản.
| Sắp xếp hỗ trợ | Định hướng mô-đun | Các cạnh được hỗ trợ | Khoảng cách xà gồ |
| Hỗ trợ cạnh dài | Định hướng cảnh quan | Hai cạnh dài | Bằng với cạnh ngắn của mô-đun, khoảng 1,13 m |
| Hỗ trợ cạnh ngắn | Hướng dọc | Hai cạnh ngắn | Bằng cạnh dài của mô-đun, khoảng 2,28 m |
Khoảng cách xà gồ không phải là sự lựa chọn thiết kế tùy ý; nó bắt nguồn từ cách bố trí mô-đun. Với kích thước cạnh ngắn của mô-đun là 1.134 mm, khoảng cách tương ứng là khoảng 1,13 m. Với kích thước chiều dài 2.278 mm, nó xấp xỉ 2,28 m. Không có đường hỗ trợ trung gian nào trong cả hai cách sắp xếp cơ bản trừ khi có thêm hỗ trợ thứ ba.
Khi nào cần có ba đường hỗ trợ?
Đối với các nhịp lớn, tải trọng gió lớn hoặc các mô-đun nặng hơn, hỗ trợ hai điểm có thể không đủ. Một giải pháp là thêm xà gồ bên dưới giữa mô-đun, chia nhịp ban đầu thành hai nhịp.
Khi thêm xà gồ trung tâm, khoảng cách giữa các đường đỡ sẽ xấp xỉ 1,14 m hoặc 1,13 m, tạo ra cấu hình tương tự như cột đỡ cạnh dài. Sự đánh đổi là cần nhiều xà gồ hơn, làm tăng tổng lượng thép tiêu thụ.
Ràng buộc khoảng cách cạnh
Phải duy trì khoảng cách vừa đủ giữa mép mô-đun và đường tâm xà gồ. Kẹp thông thường có chiều rộng kẹp hiệu quả khoảng 30–40 mm. Nếu đường tâm xà gồ quá gần mép mô-đun, kẹp có thể không bám chắc chắn. Nếu ở quá xa, phần nhô ra của mô-đun sẽ trở nên quá mức, làm tăng nguy cơ biến dạng ở các góc dưới lực nâng của gió.
Thông lệ chung trong ngành là đặt đường tâm xà gồ vào trong cách mép mô-đun 50–100 mm trong khi vẫn đảm bảo rằng phần nhô ra không vượt quá 1/5 kích thước cạnh ngắn của mô-đun.
Khoảng cách xà gồ ảnh hưởng đến việc lựa chọn phần như thế nào
Khi khoảng cách xà gồ tăng gấp đôi, tải trọng của mỗi xà gồ cũng tăng gấp đôi, giả sử tải trọng diện tích như nhau. Kích thước phần phải được tăng lên cho phù hợp.
| Khoảng cách xà gồ | Phần điển hình | Trọng lượng lý thuyết | Tiêu thụ thép trên một đơn vị diện tích | Ghi chú |
| 1,13 m | C160×60×20×2,5 | Xấp xỉ. 6,3 kg/m | Xấp xỉ. 5,5 kg/m2 | Nhiều xà gồ hơn, tải trọng trên mỗi thanh thấp hơn và xử lý dễ dàng hơn trong quá trình lắp đặt |
| 1,50 m | C180 × 70 × 20 × 2,5 | Xấp xỉ. 7,1 kg/m | Xấp xỉ. 4,7 kg/m2 | Một giải pháp thỏa hiệp; độ lệch phải được kiểm tra |
| 2,28 m | C220×70×20×3,0 | Xấp xỉ. 9,4 kg/m | Xấp xỉ. 4,1 kg/m2 | Ít xà gồ hơn, tải trọng trên mỗi thanh cao hơn; độ lệch có thể trở thành yếu tố hạn chế |
Chỉ dựa trên mức tiêu thụ thép, giá đỡ cạnh ngắn với khoảng cách 2,28 m có vẻ tiết kiệm hơn ở mức xấp xỉ 4,1 kg/m2—thấp hơn 20% so với mức 5,5 kg/m2 liên quan đến giá đỡ cạnh dài.
Tuy nhiên, con số này không nên được xem xét một cách cô lập. Lý do trở nên rõ ràng trong phần tiếp theo.
Độ lệch: Giới hạn có thể đạt tới trước khi sức mạnh trở nên quan trọng
Giới hạn độ võng được xác định như thế nào?
Đối với xà gồ mái trong điều kiện sử dụng bình thường, giới hạn công nghiệp thường được sử dụng là L/200. Một số dự án có yêu cầu chống thấm và chống gió chặt chẽ hơn có thể áp dụng L/250.
Đối với dự án có nhịp 7,5 m, L/200 cho phép độ lệch chỉ 37,5 mm. Đối với nhịp 9 m, giới hạn là 45 mm. Các khoản phụ cấp này tương đối hạn chế đối với các thành viên thép.
Tại sao việc tăng gấp đôi khoảng cách xà gồ khiến độ lệch khó kiểm soát hơn?
Độ võng tỷ lệ thuận với tải trọng phân bố đều và tỷ lệ nghịch với mômen thứ hai của diện tích cấu kiện, giả sử cùng một nhịp và các điều kiện hỗ trợ.
Khi khoảng cách xà gồ tăng từ 1,13 m lên 2,28 m, tải trọng dây trên mỗi xà gồ tăng gần gấp đôi, độ võng cũng tăng trong các điều kiện không thay đổi. Việc tăng tiết diện từ C160 lên C220 chỉ mang lại sự gia tăng hạn chế về diện tích mô men thứ hai, điều này có thể không bù đắp hoàn toàn cho tải trọng bổ sung.
Kết quả, việc kiểm tra độ bền vẫn có thể đáp ứng giới hạn cho phép trong khi việc kiểm tra độ võng không thành công. Đây là một trong những vấn đề thường gặp nhất khi thiết kế mái xà gồ và thường chỉ được phát hiện khi xem xét bản vẽ.
Tại sao các yêu cầu về độ võng lại nghiêm ngặt hơn đối với mái BIPV?
Trong hệ thống quang điện ứng dụng trong tòa nhà (BAPV), các mô-đun PV được gắn trên một cấu trúc hỗ trợ sau đó được gắn vào mái kim loại. Độ lệch quá mức có thể làm hỏng các vòng đệm giữa kết cấu đỡ và các tấm mái, tạo ra vấn đề bảo trì mà đôi khi có thể giải quyết bằng cách hàn lại hoặc thay thế các miếng đệm.
Trong hệ thống BIPV, bản thân các mô-đun quang điện tạo thành một phần của lớp vỏ mái. Nếu xà gồ lệch đi 5 mm thì mối nối tấm có thể mở ra 5 mm. Tính liên tục của việc chống thấm phụ thuộc vào độ cứng của kết cấu cũng như các chi tiết bịt kín.
Đây là lý do tại sao mái BIPV thường yêu cầu kiểm soát độ võng chặt chẽ hơn mái kim loại thông thường và tại sao việc bố trí hỗ trợ cạnh ngắn có thể bị từ chối đối với các dự án có khoảng cách cột lớn.
Ba ràng buộc bổ sung có thể thay đổi khoảng cách xà gồ
Khoảng cách cột
Nhịp xà gồ được xác định bằng khoảng cách giữa các cột khung chính. Khoảng cách cột 6 m, 7,5 m và 9 m là những lựa chọn phổ biến cho các tòa nhà công nghiệp.
Khi khoảng cách giữa các cột tăng lên, nhịp xà gồ sẽ dài hơn, thường yêu cầu tiết diện sâu hơn và tăng mức tiêu thụ thép. Do đó, khoảng cách xà gồ phải được chọn trong khuôn khổ bố cục cột đã thiết lập chứ không phải độc lập.
Mối nối mô-đun PV
Vị trí xà gồ phải thẳng hàng với các khớp nối giữa các mô đun PV. Nếu xà gồ rơi ngay dưới giữa mô-đun, các chốt có thể rơi vào khu vực không được hỗ trợ của tấm nền mô-đun, khiến kết nối phụ thuộc vào kẹp và có khả năng làm giảm độ cứng của khớp.
Trong quá trình bố trí bảng điều khiển, trước tiên hãy đánh dấu các đường nối mô-đun và sau đó thiết lập các đường tâm của xà gồ. Trình tự này không nên đảo ngược.
Chuyển động nhiệt
Khi nhiệt độ mái đạt tới 70°C, xà gồ thép và khung mô-đun nhôm giãn nở với tốc độ khác nhau vì hệ số giãn nở nhiệt của chúng khác nhau. Do đó, sự giãn nở theo chiều dọc của chúng không giống nhau. Một phương pháp kỹ thuật phổ biến là kết hợp các chi tiết trượt dọc theo hướng dọc, cho phép hạn chế chuyển động tương đối giữa các mô đun và xà gồ.
Khoảng cách xà gồ quá chật có thể hạn chế chuyển động này và tăng ứng suất kiềm chế trong khung mô-đun. Do đó, khoảng cách xà gồ gần hơn không tự động có nghĩa là thiết kế an toàn hơn.
Một ví dụ lựa chọn xà gồ hoàn chỉnh
Các điều kiện giả định: khoảng cách cột 7,5 m, mái BIPV tích hợp, mô-đun quang điện có kích thước 2.278 × 1.134 mm và dự án nằm trong vùng áp lực gió vừa phải.
Bước 1: Chọn cơ chế hỗ trợ. Khoảng cách cột 7,5 m là tương đối lớn. Với gối tựa cạnh ngắn và khoảng cách xà gồ là 2,28 m, độ võng có thể khó kiểm soát dưới giới hạn L/200. Do đó, hỗ trợ cạnh dài theo hướng ngang được chọn, với khoảng cách xà gồ là 1,13 m.
Bước 2: Lựa chọn phần xà gồ. Sử dụng tĩnh tải 20 kg/m2, hoạt tải duy trì 0,5 kN/m2 và các tổ hợp tải trọng gió cục bộ có thể áp dụng, tính toán tải đường dây và chọn tiết diện C160 × 60 × 20 × 2,5. Nếu áp lực gió cao hơn thì nâng cấp lên C180×70×20×2.5.
Bước 3: Kiểm tra độ võng. Đối với nhịp 7,5 m, giới hạn L/200 là 37,5 mm. Kiểm tra độ võng dưới các tổ hợp tải trọng áp dụng và xác nhận rằng nó vẫn nằm trong giới hạn cho phép.
Bước 4: Căn chỉnh các khớp mô-đun. Sắp xếp các mô-đun bằng mô-đun bố trí 1.134 mm. Căn chỉnh các đường tâm của xà gồ với các đường nối mô-đun, với dung sai định vị mục tiêu là ±5 mm.
Bước 5: Hoàn thiện bản vẽ bố trí. Chỉ rõ khoảng cách xà gồ, thông số mặt cắt, vị trí chốt, đầu trượt và đầu cố định.
Thực hiện theo trình tự này giúp giảm khả năng sửa đổi bố cục trong quá trình đánh giá bản vẽ.
Câu hỏi thường gặp
Câu 1: Khoảng cách điển hình giữa các xà gồ mái là bao nhiêu?
Phạm vi phổ biến của ngành là 1,0–1,5 m. Khoảng cách thực tế phụ thuộc vào kích thước mô-đun, cách bố trí giá đỡ và tổ hợp tải trọng. Đối với mô-đun có kích thước cạnh ngắn là 1.134 mm, giá đỡ cạnh dài tương ứng với khoảng cách khoảng 1,13 m. Hỗ trợ cạnh ngắn dựa trên kích thước cạnh dài 2.278 mm tương ứng với khoảng 2,28 m, vượt quá phạm vi thông thường và yêu cầu kiểm tra độ võng riêng.
Câu 2: Khoảng cách xà gồ nhỏ hơn có giúp mái nhà an toàn hơn không?
Không. Khoảng cách nhỏ hơn có nghĩa là nhiều xà gồ hơn và tiêu thụ thép cao hơn. Nó cũng có thể hạn chế chuyển động trượt cần thiết để điều chỉnh sự giãn nở nhiệt, làm tăng ứng suất hạn chế trong khung mô-đun. Cách tiếp cận đúng là đáp ứng đồng thời các yêu cầu về độ võng, độ bền và chuyển động nhiệt.
Câu hỏi 3: Mái BIPV có thể sử dụng cách bố trí xà gồ giống như mái kim loại thông thường không?
Điều này không được khuyến khích nếu không có đánh giá thiết kế cụ thể. Giới hạn độ võng của mái kim loại thông thường chủ yếu giải quyết vấn đề thoát nước và hình thức, trong khi mái BIPV cũng phải duy trì tính liên tục giữa các mô-đun quang điện và hệ thống chống thấm. Việc bố trí xà gồ tương tự có thể thích hợp cho BAPV nhưng có thể khiến các mối nối của tấm mở ra quá mức trong ứng dụng BIPV.
Câu hỏi 4: Có nên thêm xà gồ hoặc đặt khoảng cách gần nhau hơn khi trang bị thêm BIPV trên mái nhà xưởng hiện có không?
Cấu trúc hiện tại phải được đánh giá lại dựa trên tải trọng thiết kế ban đầu và tình trạng ăn mòn hiện tại của nó. Kinh nghiệm trong ngành cho thấy rằng chưa đến một nửa số mái kim loại hiện có vượt qua được các cuộc kiểm tra năng lực kết cấu cần thiết để trang bị thêm cho PV. Khi kết cấu bị hư hỏng, có thể cần phải gia cố, bao gồm tăng khả năng chịu lực của cấu kiện, bổ sung các trụ đỡ hoặc thay thế xà gồ. Những biện pháp này có thể chiếm 15%–25% ngân sách trang bị thêm.
Việc tích hợp tĩnh tải PV và hoạt tải duy trì ở giai đoạn thiết kế kết cấu có thể giảm tổng mức tiêu thụ thép khoảng 8%–12% so với thiết kế yêu cầu gia cố tiếp theo. Khoản tiết kiệm ước tính này là kết quả của các tác động kết hợp của các chi tiết kết nối dùng chung, tối ưu hóa mặt cắt và thiết kế mái tích hợp. Nó loại trừ sự khác biệt về giá thành của các mô-đun PV.
Liên hệ: info@xzbesta.com
