Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực xây dựng công nghiệp, kết cấu thép đóng vai trò trọng yếu nhờ khả năng vượt nhịp lớn, thời gian gia công lắp dựng nhanh và khả năng chịu lực cao dưới tác động của các thiết bị nâng chuyển hạng nặng. Đồ án tốt nghiệp của tác giả Hoàng Thế Phong (MSSV: 18149285), dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thế Trường Phong và giảng viên bảo vệ TS. Phan Thành Trung (thực hiện tại Học kỳ 2 – Năm học 2021-2022), giải quyết bài toán thiết kế kết cấu thép hoàn chỉnh cho một công trình nhà công nghiệp một tầng, một nhịp trang bị hệ thống cầu trục vận hành.

Bối cảnh thực tiễn được đặt ra xuất phát từ yêu cầu xây dựng một nhà xưởng công nghiệp có nhịp lớn, không gian thông thoáng, vừa phải đảm bảo an toàn chịu lực dưới các tổ hợp tải trọng phức tạp (tĩnh tải, hoạt tải sửa chữa, áp lực gió, lực quán tính và hãm của cầu trục), vừa phải tối ưu hóa khối lượng kim loại sử dụng nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án được xác định rõ ràng theo 5 bước tuần tự:

  1. Xác định kích thước hình học chính của khung ngang nhà công nghiệp, tính toán kích thước theo phương đứng, phương ngang và lựa chọn sơ bộ tiết diện các cấu kiện (cột, dầm mái, vai cột, cửa trời, hệ giằng).
  2. Tính toán tải trọng, kiểm tra điều kiện cường độ và độ võng của hệ kết cấu bao che phụ trợ, bao gồm xà gồ tường (xà gồ cột) và xà gồ mái.
  3. Xác định toàn bộ các giá trị tải trọng tác động lên khung ngang (tĩnh tải, hoạt tải mái, hoạt tải cầu trục, tải trọng gió); thiết lập mô hình tính toán kết cấu khung phẳng trên phần mềm ETABS, trích xuất biểu đồ nội lực và thực hiện tổ hợp nội lực.
  4. Kiểm tra khả năng chịu lực của các cấu kiện chính gồm cột và dầm mái theo trạng thái giới hạn: kiểm tra độ mảnh, độ bền, ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng khung, ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng, cùng độ võng và chuyển vị ngang.
  5. Thiết kế và kiểm toán chi tiết cấu tạo các nút liên kết trong khung: liên kết chân cột ngàm với móng bê tông, liên kết vai cột đỡ dầm cầu trục, liên kết nút khung giữa dầm và cột, liên kết mối nối dầm mái, liên kết đỉnh khung và liên kết chân cửa trời.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Khung ngang chịu lực chính bằng thép tổ hợp hình chữ I hàn của nhà xưởng công nghiệp một tầng, một nhịp.
  • Phạm vi không gian: Công trình có mặt bằng hình chữ nhật với khẩu độ nhịp $L = 24\text{ m}$, chiều dài toàn nhà $B = 60\text{ m}$, bước cột $B = 6\text{ m}$ (10 bước cột). Nhà trang bị cầu trục sức trục $Q = 5\text{ T}$ ($50\text{ kN}$), chế độ làm việc trung bình, nhịp cầu trục $L_k = 22.5\text{ m}$, cao trình đỉnh ray cầu trục $H_r = 7.5\text{ m}$. Công trình được tính toán tại khu vực có phân vùng áp lực gió IA ($W_0 = 65\text{ daN/m}^2$).
  • Phạm vi thời gian và tiêu chuẩn: Nghiên cứu thực hiện trong năm học 2021-2022, áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành tại Việt Nam tại thời điểm tính toán.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án triển khai dựa trên cơ sở phương pháp trạng thái giới hạn (Limit State Method) trong cơ học kết cấu công trình, tuân thủ các quy chuẩn và tiêu chuẩn thiết kế quốc gia:

  • Tiêu chuẩn tính toán tải trọng và tác động: TCVN 2737:1995 "Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế", quy định áp lực gió cơ bản vùng IA ($W_0 = 65\text{ daN/m}^2$), hệ số độ tin cậy của tải trọng, và hoạt tải sửa chữa mái tôn không sử dụng ($p^{tc} = 30\text{ daN/m}^2$).
  • Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép: TCVN 5575:2012 "Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế", cung cấp công thức và bảng tra kiểm toán trạng thái giới hạn thứ nhất (độ bền chịu uốn nén lệch tâm, độ mảnh khống chế $\lambda$, ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng, ổn định cục bộ bản cánh $b_{of}/t_f$ và bản bụng $h_w/t_w$) và trạng thái giới hạn thứ hai (chuyển vị ngang đỉnh cột $f \le H/300$, độ võng đỉnh mái $f \le L/400$, độ võng xà gồ $f \le L/200$).
  • Tiêu chuẩn thiết kế liên kết: Các bảng quy chuẩn về đường hàn tay (que hàn N42) và liên kết bu lông thông thường, bu lông neo mác thép theo TCVN 5575:2012.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật:

  • Phương pháp phân tích kết cấu: Mô hình hóa khung phẳng đàn hồi tuyến tính bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) thông qua phần mềm chuyên dụng ETABS.
  • Phương pháp giải tích và giải tích số: Tính toán diện tích truyền tải, xác định đường ảnh hưởng phản lực gối tựa để tìm áp lực đứng lớn nhất ($D_{\max}$), nhỏ nhất ($D_{\min}$) và lực hãm ngang ($T$) của cầu trục; giải hệ phương trình xác định phản lực chân cột ngàm; phân tích ứng suất tiếp và ứng suất tương đương trong đường hàn, bu lông liên kết.
  • Nguồn dữ liệu sử dụng: Ca-ta-lô thông số kỹ thuật cầu trục $Q = 5\text{ T}$, bảng quy cách tôn cuộn Hoa Sen, thép cán nguội hình C làm xà gồ, các thông số vật liệu thép tấm CCT34 với cường độ tính toán chịu kéo/nén/uốn $f = 21\text{ kN/cm}^2$, mô đun đàn hồi $E = 2.1 \times 10^4\text{ kN/cm}^2$, mác que hàn N42 ($f_{wf} = 18\text{ kN/cm}^2$), bu lông neo mác thép 09Mn2Si ($f_{ba} = 19\text{ kN/cm}^2$) và móng bê tông cấp độ bền B15 ($R_b = 0.85\text{ kN/cm}^2, R_{b,loc} = 1.02\text{ kN/cm}^2$).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kết cấu nhà công nghiệp trong đồ án được thiết kế đồng bộ từ sơ đồ không gian tổng thể đến cấu tạo chi tiết:

Hạng mục cấu kiện Giải pháp thiết kế và quy cách mặt cắt
Cột khung Tiết diện chữ I tổ hợp hàn không đổi: $600\times 250\times 6\times 8\text{ mm}$ ($h=600, b=250, t_w=6, t_f=8$)
Dầm mái Thép tổ hợp chữ I tiết diện thay đổi: Đoạn 1 (tại nách khung) I $(600 \sim 450)\times 250\times 6\times 8\text{ mm}$; Đoạn 2 I $(450 \sim 500)\times 250\times 6\times 8\text{ mm}$
Vai cột đỡ dầm cầu trục Tiết diện chữ I cao $350\text{ mm}$ tại ngàm cánh cột, vát về $300\text{ mm}$ tại điểm đặt lực: I $(350 \sim 300)\times 250\times 6\times 8\text{ mm}$, vươn ra $L_v = 550\text{ mm}$
Cửa trời thông gió Kích thước rộng $4\text{ m}$, cao $2\text{ m}$; thanh dầm và cột cửa trời tiết diện chữ I $200\times 100\times 6\times 8\text{ mm}$
Xà gồ vách (xà gồ cột) Thép chữ C dập nguội C150x65x18 dày $2.3\text{ mm}$, bước bố trí $a_{xg} = 1.5\text{ m}$
Xà gồ mái Thép chữ C dập nguội C150x50x18 dày $1.8\text{ mm}$, bước bố trí $a_{xg} = 1.7\text{ m}$
Hệ giằng cột và mái Thanh giằng chéo bằng thép tròn $\phi 16$; thanh chống dọc nóc và đỉnh cột thép hình I20; thanh chống xiên cánh dưới dầm thép góc đều cạnh L50x3

Quy trình mô hình hóa và phân tích tải trọng:

  • Mô hình khung phẳng ngàm tại chân móng, liên kết cứng giữa cột và dầm mái. Chiều cao từ móng đến đáy xà ngang là $H = 8600\text{ mm}$, chiều cao cột trên $H_{tr} = 1900\text{ mm}$, chiều cao cột dưới $H_d = 6700\text{ mm}$.
  • Tác giả thiết lập hệ thống trường hợp tải trọng bao gồm: Tĩnh tải bản thân kết cấu (TT), hoạt tải sửa chữa mái nửa bên trái (HT trái), hoạt tải sửa chữa mái nửa bên phải (HT phải), tải trọng gió thổi từ trái sang (Gió trái), gió thổi từ phải sang (Gió phải), áp lực đứng lớn nhất của bánh xe cầu trục bên trái ($D_{\max}$ trái) và bên phải ($D_{\max}$ phải), lực hãm ngang của xe con cầu trục ($T$ trái dương/âm, $T$ phải dương/âm).
  • Phân tích và trích xuất nội lực từ phần mềm ETABS theo hai nhóm tổ hợp chính: Tổ hợp cơ bản 1 (tĩnh tải kết hợp với 01 hoạt tải tác dụng, hệ số $n_c = 1.0$) và Tổ hợp cơ bản 2 (tĩnh tải kết hợp từ 02 hoạt tải trở lên, hệ số $n_c = 0.9$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Xác định kích thước khung ngang

Chương 1 thiết lập các kích thước hình học chính của khung nhà xưởng theo cả hai phương đứng và ngang:

  • Kích thước theo phương đứng: Chiều cao từ mặt ray cầu trục đến đáy xà ngang được tính toán từ chiều cao cầu trục $H_k = 810\text{ mm}$ cộng khe hở an toàn $b_k = 200\text{ mm}$, suy ra $H_2 = 1010\text{ mm}$, chọn thực tế $H_2 = 1100\text{ mm}$. Chiều cao toàn bộ cột tính từ cos 0.000 đến đáy xà là $H = 8600\text{ mm}$. Chiều cao cột trên $H_{tr} = H_2 + H_{dc} + h_r = 1100 + 600 + 200 = 1900\text{ mm}$ (với chiều cao dầm cầu trục $H_{dc} = 600\text{ mm}$, ray và đệm ray $h_r = 200\text{ mm}$). Chiều cao cột dưới $H_d = H - H_{tr} = 6700\text{ mm}$.
  • Kích thước theo phương ngang: Xác định khoảng cách từ trục định vị đến ray là $1000\text{ mm}$. Chiều dài công-xôn vai cột đỡ dầm cầu trục là $L_v = 550\text{ mm}$. Khoảng cách an toàn từ tim ray đến mép trong cột tính được $Z_2 = 250\text{ mm}$, thỏa mãn lớn hơn khoảng cách tối thiểu yêu cầu $Z_{\min} = 160\text{ mm}$.
  • Chọn sơ bộ tiết diện: Cột có chiều cao tiết diện $h = 600\text{ mm}$, bề rộng cánh $b = 250\text{ mm}$, chiều dày bản bụng $t_w = 6\text{ mm}$, chiều dày bản cánh $t_f = 8\text{ mm}$. Dầm mái phân làm 2 đoạn có tiết diện vát thay đổi nhằm bám sát biểu đồ mô men uốn: Đoạn 1 từ nách khung cao $600\text{ mm}$ vát về $450\text{ mm}$ tại vị trí $0.2L$; Đoạn 2 từ $450\text{ mm}$ tăng lên $500\text{ mm}$ tại đỉnh nóc. Kích thước cửa trời thông gió rộng $4\text{ m}$, cao $2\text{ m}$ bằng thép I $200\times 100\times 6\times 8\text{ mm}$.
  • Thiết kế hệ giằng: Phân tích và bố trí chi tiết hệ giằng cột (đặt ở hai đầu hồi và giữa khối nhiệt độ) và hệ giằng mái (đặt tại hai gian đầu hồi và các gian có giằng cột) nhằm đảm bảo sự bất biến hình không gian, giảm chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng cho các thanh nén.

Chương 2: Thiết kế xà gồ

Chương 2 trình bày chi tiết việc tính toán hai hệ xà gồ bao che:

  • Thiết kế xà gồ cột: Sử dụng thép cán nguội hình C150x65x18 dày $2.3\text{ mm}$ ($A = 6.90\text{ cm}^2, m = 5.416\text{ kg/m}$), nhịp $6\text{ m}$, bước đặt $a_{xg} = 1.5\text{ m}$. Chịu tải trọng tôn vách Hoa Sen ($3.35\text{ kg/m}$) và tải trọng gió tiêu chuẩn $W_0 = 65\text{ daN/m}^2$. Kết quả kiểm toán: ứng suất cực đại $\sigma_{\max} = 14.84\text{ kN/cm}^2 \le f = 21\text{ kN/cm}^2$; kiểm tra độ võng khi bố trí 1 thanh giằng giữa nhịp đạt $f_y = 2.808\text{ cm} \le [f] = L/200 = 3.0\text{ cm}$.
  • Thiết kế xà gồ mái: Sử dụng thép hình C150x50x18 dày $1.8\text{ mm}$ ($A = 4.95\text{ cm}^2, m = 3.75\text{ kg/m}$), khoảng cách xà gồ $a_{xg} = 1.7\text{ m}$. Chịu tĩnh tải tôn mái ($3.13\text{ daN/m}^2$), hoạt tải sửa chữa mái ($p^{tc} = 30\text{ daN/m}^2$) và tải trọng gió hút. Kết quả kiểm toán ứng suất cho 3 trường hợp tổ hợp tải trọng:
    • Trường hợp 1 (TT + HT): $\sigma_{\max} = 18.34\text{ kN/cm}^2 \le f = 21\text{ kN/cm}^2$, độ võng $f = 0.782\text{ cm} \le [f] = 3.0\text{ cm}$.
    • Trường hợp 2 (TT + Gió): $\sigma_{\max} = 11.21\text{ kN/cm}^2 \le f = 21\text{ kN/cm}^2$, độ võng $f = 0.367\text{ cm} \le [f] = 3.0\text{ cm}$.
    • Trường hợp 3 (TT + HT + Gió): $\sigma_{\max} = 12.82\text{ kN/cm}^2 \le f = 21\text{ kN/cm}^2$. Tất cả các điều kiện cường độ và độ võng của xà gồ mái đều được thỏa mãn.

Chương 3: Tải trọng và nội lực tác dụng lên khung

Chương này tập trung xác định toàn bộ các giá trị tải trọng tác động lên mô hình khung ngang:

  • Tĩnh tải: Trọng lượng mái tôn, xà gồ mái, giằng mái phân bố lên dầm mái với giá trị tiêu chuẩn $q^{tc} = 38.257\text{ daN/m}$, tính toán $q^{tt} = 78.43\text{ daN/m}$. Trọng lượng tôn tường, xà gồ cột và giằng cột phân bố lên cột với giá trị tiêu chuẩn $q^{tc} = 36.085\text{ daN/m}$, tính toán $q^{tt} = 115.839\text{ daN/m}$. Tải trọng tập trung do bản thân dầm cầu trục ($G_{dct}^{tt} = 1020.6\text{ daN}$) và dầm hãm ($G_{dh}^{tt} = 525\text{ daN}$).
  • Hoạt tải sửa chữa mái: Hoạt tải phân bố đều trên dầm mái có giá trị tiêu chuẩn $p^{tc} = 180\text{ daN/m}$, giá trị tính toán $p^{tt} = 234\text{ daN/m}$.
  • Tải trọng gió: Xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 cho địa hình dạng B, vùng gió IA ($W_0 = 65\text{ daN/m}^2$, hệ số độ tin cậy $n_p = 1.2$). Tác giả tính toán chi tiết hệ số khí động $c_e$ và giá trị phân bố $q_w^{tt}$ dọc theo chiều cao công trình từ chân cột lên đến đỉnh cửa trời ($+12.0\text{ m}$).
  • Hoạt tải cầu trục: Tra thông số cầu trục $Q = 5\text{ T}$ với $P_{\max} = 65.5\text{ kN}, P_{\min} = 15.5\text{ kN}$. Qua đường ảnh hưởng gối tựa dầm cầu trục, xác định áp lực đứng tính toán lớn nhất lên vai cột $D_{\max} = 95.655\text{ kN}$, áp lực nhỏ nhất $D_{\min} = 22.645\text{ kN}$, và lực hãm ngang tính toán của một bánh xe lên ray $T = 1.074\text{ kN}$.
  • Phân tích nội lực: Khung được phân tích bằng ETABS. Nội lực được tổng hợp tại các tiết diện nguy hiểm (chân cột, dưới dầm vai, trên dầm vai, đỉnh cột, đầu xà, tiết diện chuyển tiếp dầm mái và đỉnh mái) qua các cặp tổ hợp nguy hiểm nhất: $M_{\max} - N_{tu} - V_{tu}$, $N_{\max} - M_{tu} - V_{tu}$ và độ lệch tâm lớn nhất $e_{\max}$.

Chương 4: Thiết kế cột và dầm mái

Nội dung chương 4 trình bày toàn bộ các phép kiểm tra tiết diện cột và dầm mái theo quy định của TCVN 5575:2012:

  • Kiểm tra cột khung (tiết diện I $600\times 250\times 6\times 8\text{ mm}$, diện tích $A = 75.27\text{ cm}^2$):
    • Khống chế độ mảnh: Độ mảnh trong mặt phẳng $\lambda_x = 47.56 \le [\lambda] = 147.76$; độ mảnh ngoài mặt phẳng $\lambda_y = 63.39 \le [\lambda] = 120.0$.
    • Điều kiện bền: Đạt yêu cầu ứng suất với trường hợp nén uốn lệch tâm lớn nhất ($e_{\max}$).
    • Ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung: Ứng với tổ hợp $M_{\max} = -194.32\text{ kN}\cdot\text{m}, N = -87.49\text{ kN}$ cho ứng suất tính toán $\sigma = 12.306\text{ kN/cm}^2 \le f = 21\text{ kN/cm}^2$.
    • Ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung: Ứng với chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng $l_y = 3.35\text{ m}$ (khoảng cách điểm giằng), hệ số uốn dọc $\varphi_y = 0.808$, ứng suất tính toán lớn nhất đạt $\sigma = 7.90\text{ kN/cm}^2 \le f = 21\text{ kN/cm}^2$.
    • Ổn định cục bộ: Bản cánh có tỷ số $b_{of}/t_f = 15.25$ và bản bụng có tỷ số $h_w/t_w = 97.33$ đều thỏa mãn điều kiện giới hạn quy phạm.
    • Chuyển vị ngang đỉnh cột: Giá trị chuyển vị ngang tính được là $1.60\text{ cm} \le [f] = H/300 = 860/300 = 2.87\text{ cm}$.
  • Kiểm tra dầm mái: Được tiến hành tại 3 vị trí mặt cắt đặc trưng:
    • Đầu xà (nút khung, tiết diện I $600\times 250\times 6\times 8\text{ mm}$): Mô men uốn $M_{\max} = 177.34\text{ kN}\cdot\text{m}$; ứng suất bền uốn nén $\sigma = 10.25\text{ kN/cm}^2 \le f = 21\text{ kN/cm}^2$; ổn định tổng thể và ổn định cục bộ đều đảm bảo.
    • Điểm nối dầm mái (cách cột $0.2L$, tiết diện I $450\times 250\times 6\times 8\text{ mm}$): $M_{\max} = 46.40\text{ kN}\cdot\text{m}$; ứng suất bền $\sigma = 4.04\text{ kN/cm}^2 \le f = 21\text{ kN/cm}^2$.
    • Đỉnh khung (tiết diện I $500\times 250\times 6\times 8\text{ mm}$): $M_{\max} = 103.87\text{ kN}\cdot\text{m}$; ứng suất $\sigma = 7.10\text{ kN/cm}^2 \le f = 21\text{ kN/cm}^2$.
    • Độ võng đỉnh dầm mái: Chuyển vị đứng tính toán dưới tác dụng của tổ hợp tiêu chuẩn đạt giá trị $3.60\text{ cm} \le [f] = L/400 = 2400/400 = 6.00\text{ cm}$.

Chương 5: Thiết kế các liên kết chi tiết

Chương cuối cùng thực hiện tính toán chi tiết cấu tạo các nút liên kết bằng bu lông và đường hàn:

  • Liên kết chân cột ngàm với móng: Kích thước bản đế móng bằng thép dày $t_{bd} = 30\text{ mm}$, bề rộng $B_{bd} = 350\text{ mm}$, chiều dài $L_{bd} = 800\text{ mm}$. Dầm đế cao $h_{dd} = 250\text{ mm}$, chiều dày $t_{dd} = 6\text{ mm}$. Bố trí hệ sườn bản bụng (sườn A: $h_s = 250\text{ mm}, t_s = 6\text{ mm}$) và sườn bản cánh (sườn B: $h_s = 250\text{ mm}, t_s = 6\text{ mm}$). Liên kết sử dụng 4 bu lông neo mác thép 09Mn2Si đường kính $\phi 22$, chiều dài neo đảm bảo khả năng chịu lực kéo lớn nhất $T_1 = 287.786\text{ kN}$. Chiều cao đường hàn liên kết chân cột vào bản đế chọn $h_f = 8\text{ mm}$.
  • Liên kết vai cột đỡ dầm cầu trục: Lực cắt tính toán tại ngàm vai cột $V = 95.655\text{ kN}$, mô men uốn $M = 105.22\text{ kN}\cdot\text{m}$. Kiểm tra ứng suất tương đương trong tiết diện vai cột đạt $\sigma_{td} = 12.15\text{ kN/cm}^2 \le f = 21\text{ kN/cm}^2$. Bố trí các sườn gia cường bản bụng cột và sườn vai cột có chiều rộng $b_s = 100\text{ mm}$, bề dày $t_s = 8\text{ mm}$. Đường hàn góc liên kết vai vào cột đảm bảo ứng suất tiếp $\tau = 5.615\text{ kN/cm}^2 \le f_{wf} = 18\text{ kN/cm}^2$.
  • Liên kết nút khung (cột và dầm mái): Sử dụng mặt bích dày $16\text{ mm}$ kết hợp với 14 bu lông tinh cấp độ bền 6.6 đường kính d20 ($A_{bn} = 2.45\text{ cm}^2, f_{tb} = 25\text{ kN/cm}^2, f_{vb} = 23\text{ kN/cm}^2$). Lực kéo lớn nhất tại hàng bu lông ngoài cùng là $59.25\text{ kN} \le [N_{tb}] = 61.25\text{ kN}$. Đường hàn bản bích với cánh và bụng cột có chiều cao $h_f = 6\text{ mm}$.
  • Mối nối dầm mái (vị trí nối xà): Sử dụng mặt bích dày $10\text{ mm}$ cùng 10 bu lông tinh cấp độ bền 4.8 đường kính d20, đường hàn góc liên kết $h_f = 6\text{ mm}$.
  • Mối nối đỉnh dầm mái: Sử dụng mặt bích dày $10\text{ mm}$ và 10 bu lông tinh cấp độ bền 6.6 đường kính d20, đường hàn góc liên kết $h_f = 6\text{ mm}$.
  • Liên kết chân cửa trời: Khung cửa trời tiết diện I $200\times 100\times 6\times 8\text{ mm}$ được liên kết vào dầm mái bằng mặt bích và 8 bu lông tinh cấp độ bền 4.8 đường kính d16, đường hàn liên kết $h_f = 6\text{ mm}$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn toàn bộ hồ sơ tính toán thiết kế kết cấu thép cho nhà công nghiệp một tầng có cầu trục, với hệ thống số liệu kiểm toán cụ thể:

Cấu kiện / Bộ phận Tiêu chí kiểm tra Giá trị tính toán Giới hạn cho phép Đánh giá
Xà gồ vách (C150x65x18x2.3) Cường độ uốn nén $14.84\text{ kN/cm}^2$ $21.0\text{ kN/cm}^2$ Đạt
Xà gồ vách (C150x65x18x2.3) Độ võng lớn nhất $2.808\text{ cm}$ $3.00\text{ cm}$ ($L/200$) Đạt
Xà gồ mái (C150x50x18x1.8) Cường độ uốn nén (TT+HT) $18.34\text{ kN/cm}^2$ $21.0\text{ kN/cm}^2$ Đạt
Xà gồ mái (C150x50x18x1.8) Độ võng lớn nhất $0.782\text{ cm}$ $3.00\text{ cm}$ ($L/200$) Đạt
Cột khung (I 600x250x6x8) Độ mảnh trong MP khung $\lambda_x$ $47.56$ $147.76$ Đạt
Cột khung (I 600x250x6x8) Ổn định tổng thể trong MP $12.306\text{ kN/cm}^2$ $21.0\text{ kN/cm}^2$ Đạt
Cột khung (I 600x250x6x8) Ổn định tổng thể ngoài MP $7.90\text{ kN/cm}^2$ $21.0\text{ kN/cm}^2$ Đạt
Cột khung (I 600x250x6x8) Chuyển vị ngang đỉnh cột $1.60\text{ cm}$ $2.87\text{ cm}$ ($H/300$) Đạt
Dầm mái (nách khung I 600x250) Cường độ uốn nén $10.25\text{ kN/cm}^2$ $21.0\text{ kN/cm}^2$ Đạt
Dầm mái (nút đỉnh nóc) Chuyển vị võng đỉnh dầm $3.60\text{ cm}$ $6.00\text{ cm}$ ($L/400$) Đạt
Nút khung dầm - cột Lực kéo bu lông ngoài cùng $59.25\text{ kN}$ $61.25\text{ kN}$ Đạt
Chân cột ngàm móng Bu lông neo chịu kéo (4$\phi$22) $287.786\text{ kN}$ Đủ khả năng chịu lực Đạt

Các giải pháp kết cấu cụ thể tác giả đã triển khai:

  • Giải pháp dầm mái tiết diện thay đổi (dạng vát tiết diện chữ I): Việc điều chỉnh chiều cao tiết diện dầm từ $600\text{ mm}$ tại nách khung giảm xuống $450\text{ mm}$ tại $0.2L$ và tăng lên $500\text{ mm}$ tại đỉnh dầm giúp bám sát đường bao mô men uốn, tối ưu đáng kể trọng lượng kết cấu thép mái so với phương án dầm tiết diện không đổi.
  • Bố trí hệ giằng không gian hợp lý: Kết hợp giữa giằng chéo cáp tròn $\phi 16$, hệ thanh chống dọc I20 và các thanh chống xiên thép góc L50x3 tại cánh dưới dầm xà giúp cố kết ổn định ngoài mặt phẳng hiệu quả, giải quyết triệt để bài toán mất ổn định khi chịu tải trọng gió bốc.
  • Gia cường cục bộ các nút liên kết phức tạp: Thiết kế chi tiết hệ sườn gia cường cho bản bụng cột tại vị trí dầm vai và nút khung, đảm bảo ứng suất ép mặt cục bộ và ứng suất tương đương đều nằm trong giới hạn đàn hồi an toàn.

Đóng góp của đồ án:

  • Thể hiện một quy trình tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh, chuẩn mực theo đúng quy định của TCVN 5575:2012 và TCVN 2737:1995 đối với dạng công trình nhà công nghiệp một tầng một nhịp có sức trục $5\text{ T}$.
  • Cung cấp phương pháp chi tiết hóa từng liên kết cơ khí (bu lông cường độ thường, bu lông neo mác cao, đường hàn góc) đi kèm các bước kiểm toán rõ ràng, phục vụ trực tiếp cho công tác gia công cơ khí chế tạo và lắp dựng thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Phân tích kết cấu mới chỉ dừng lại ở sơ đồ khung phẳng 2 chiều (2D), tải trọng không gian được quy đổi tương đương thông qua diện tích truyền tải mà chưa mô hình hóa sự làm việc đồng thời 3 chiều (3D) của toàn bộ hệ kết cấu khung, xà gồ và tấm lợp mái.
  • Đồ án áp dụng tiêu chuẩn tải trọng TCVN 2737:1995, chưa cập nhật các quy định mới hơn về phân vùng áp lực gió và hệ số khí động phức tạp cho công trình có cửa trời.
  • Chưa xét đến ảnh hưởng của tải trọng động đất, tải trọng nhiệt độ hoặc các phân tích phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học khi cấu kiện làm việc ở trạng thái sau mất ổn định đàn hồi.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

  • Xây dựng mô hình không gian tổng thể 3D trên các phần mềm kết cấu hiện đại, xem xét sự tương tác làm việc đồng thời giữa hệ thanh giằng, hệ xà gồ tường - mái và khung chịu lực chính.
  • Nghiên cứu bài toán tối ưu hóa tự động hóa: Lập trình thuật toán xác định vị trí điểm thay đổi tiết diện dầm mái ($0.2L$) và kích thước các bản thép nhằm đạt khối lượng thép tổng thể nhỏ nhất.
  • Khảo sát sự làm việc của các nút liên kết mặt bích bu lông chịu mô men lớn bằng mô hình phần tử khối (Solid elements) để đánh giá chính xác biến dạng dẻo của bản bích và lực cạy trong thân bu lông.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực hành cao cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp: Dùng làm tài liệu mẫu chuẩn mực khi thực hiện Đồ án môn học Kết cấu thép 2 (Thiết kế kết cấu nhà công nghiệp) và Đồ án tốt nghiệp đại học ngành Xây dựng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu thép và nhà thép tiền chế (PEB): Cung cấp các bước kiểm toán chi tiết từ tải trọng cầu trục, tổ hợp nội lực ETABS, đến các công thức kiểm tra ổn định tổng thể/cục bộ theo TCVN 5575:2012.
  • Cán bộ kỹ thuật gia công và giám sát thi công: Tham khảo phương pháp tính toán chiều dày bản móng, chiều dài đường hàn, kích thước sườn gia cường và quy cách liên kết bu lông mặt bích.

Nội dung đặc biệt đáng tham khảo trong tài liệu là Chương 4 và Chương 5, nơi tác giả trình bày tuần tự các công thức toán học và bảng tra hệ số phục vụ kiểm tra nén uốn lệch tâm, kiểm toán ổn định ngoài mặt phẳng cột và quy trình thiết kế liên kết chân cột ngàm móng phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tiết diện cột và dầm mái trong đồ án được lựa chọn với quy cách kích thước như thế nào? Cột khung được thiết kế dạng chữ I tổ hợp hàn tiết diện không đổi có kích thước $600\times 250\times 6\times 8\text{ mm}$ (chiều cao $600\text{ mm}$, bề rộng cánh $250\text{ mm}$, bản bụng dày $6\text{ mm}$, bản cánh dày $8\text{ mm}$). Dầm mái được thiết kế dạng tiết diện chữ I thay đổi gồm 2 đoạn: Đoạn 1 (tại nách khung) vát từ $600\text{ mm}$ xuống $450\text{ mm}$ ($600 \sim 450\times 250\times 6\times 8\text{ mm}$); Đoạn 2 vát từ $450\text{ mm}$ tăng lên $500\text{ mm}$ tại đỉnh nóc ($450 \sim 500\times 250\times 6\times 8\text{ mm}$).

  2. Các cặp nội lực nguy hiểm nhất tại chân cột được trích xuất từ những trường hợp tổ hợp nào trong ETABS? Tại chân cột, ba cặp nội lực nguy hiểm nhất được xác định gồm:

  • Tổ hợp gây mô men âm lớn nhất ($M_{\max} - N_{tu}$): Trường hợp TH83 với $M = -194.32\text{ kN}\cdot\text{m}, N = -87.49\text{ kN}$.
  • Tổ hợp gây lực nén lớn nhất ($N_{\max} - M_{tu}$): Trường hợp TH32 với $N = -122.08\text{ kN}, M = -122.08\text{ kN}\cdot\text{m}$.
  • Tổ hợp có độ lệch tâm lớn nhất ($e_{\max}$): Trường hợp TH4 với $M = 191.62\text{ kN}\cdot\text{m}, N = -64.44\text{ kN}$.

  1. Cấu tạo và khả năng chịu lực của bu lông neo chân cột được thiết kế ra sao? Chân cột sử dụng 4 bu lông neo kiểu J làm từ mác thép 09Mn2Si có cường độ tính toán chịu kéo $f_{ba} = 19\text{ kN/cm}^2$, đường kính thân bu lông $\phi 22$ (diện tích thực $A_{bn} = 3.03\text{ cm}^2$). Tổng lực kéo tính toán lớn nhất trong các bu lông neo ở một phía chân cột dưới tác dụng của cặp nội lực nguy hiểm nhất là $T_1 = 287.786\text{ kN}$, hoàn toàn thỏa mãn khả năng chịu kéo cho phép của bu lông đã chọn.

  2. Nút liên kết cứng giữa dầm mái và cột khung sử dụng loại liên kết gì và bố trí bao nhiêu bu lông? Nút liên kết giữa cột và dầm mái được thiết kế bằng mặt bích thép dày $16\text{ mm}$ kết hợp với 14 bu lông tinh cấp độ bền 6.6, đường kính d20 ($A_{bn} = 2.45\text{ cm}^2, f_{tb} = 25\text{ kN/cm}^2, f_{vb} = 23\text{ kN/cm}^2$), bố trí thành 2 dãy dọc theo chiều cao tiết diện. Lực kéo tác dụng lớn nhất ở hàng bu lông ngoài cùng đạt $59.25\text{ kN}$, nhỏ hơn khả năng chịu kéo của 1 bu lông là $61.25\text{ kN}$.

  3. Kết quả kiểm toán biến dạng của khung ngang (chuyển vị ngang đỉnh cột và độ võng đỉnh mái) có thỏa mãn yêu cầu tiêu chuẩn không? Cả hai điều kiện biến dạng đều thỏa mãn quy định của TCVN 5575:2012:

  • Chuyển vị ngang đỉnh cột tính toán dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn đạt giá trị $1.60\text{ cm}$, nhỏ hơn giới hạn cho phép $[f] = H/300 = 860/300 = 2.87\text{ cm}$.
  • Độ võng đứng của đỉnh dầm mái tính toán đạt giá trị $3.60\text{ cm}$, nhỏ hơn giới hạn độ võng cho phép $[f] = L/400 = 2400/400 = 6.00\text{ cm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Đồ án kết cấu công trình thép" của sinh viên Hoàng Thế Phong là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, thể hiện sự am hiểu sâu sắc về lý thuyết cơ học kết cấu và các quy chuẩn thiết kế kết cấu thép hiện hành (TCVN 5575:2012, TCVN 2737:1995). Toàn bộ quy trình từ xác lập kích thước hình học, mô hình hóa phân tích nội lực bằng phần mềm ETABS, kiểm toán cấu kiện cột - dầm mái đến thiết kế chi tiết các nút liên kết bu lông, đường hàn đều được tính toán nhất quán, logic và đạt độ an toàn chịu lực cao. Kết quả tính toán với các bảng số liệu cụ thể và giải pháp dầm tiết diện thay đổi tối ưu trọng lượng kim loại mang lại giá trị thực tiễn rõ nét, đóng vai trò như một tài liệu học thuật và kỹ thuật mẫu mực cho sinh viên và kỹ sư ngành xây dựng công trình công nghiệp.