I. Hướng Dẫn Tổng Quan Về Đồ Án Kết Cấu Công Trình Thép
Một đồ án kết cấu công trình thép là một công trình nghiên cứu kỹ thuật toàn diện, bao gồm quá trình từ lên ý tưởng, tính toán kết cấu thép, đến hoàn thiện hồ sơ thiết kế cho một công trình sử dụng vật liệu thép làm chủ đạo. Mục tiêu chính là tạo ra một hệ kết cấu an toàn, bền vững, kinh tế và đáp ứng đầy đủ công năng sử dụng. Đồ án này không chỉ là một bài tập học thuật mà còn mô phỏng quy trình làm việc thực tế của một kỹ sư kết cấu. Quá trình thực hiện đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết cơ học kết cấu, kiến thức về vật liệu, và khả năng ứng dụng các phần mềm chuyên dụng như phần mềm SAP2000 hoặc phần mềm ETABS. Tài liệu tham khảo cốt lõi là các tiêu chuẩn thiết kế TCVN, đặc biệt là TCVN 5575:2012, quy định các yêu cầu về thiết kế kết cấu thép. Một hồ sơ đồ án hoàn chỉnh thường bao gồm hai thành phần chính: thuyết minh đồ án kết cấu thép chi tiết các bước tính toán và lựa chọn, và bộ bản vẽ kết cấu thép thể hiện rõ ràng các cấu kiện và chi tiết liên kết. Đây là nền tảng cốt lõi cho mọi đồ án tốt nghiệp xây dựng chuyên ngành kết cấu.
1.1. Mục tiêu và phạm vi của đồ án kết cấu thép
Phạm vi của một đồ án kết cấu thép điển hình, như đồ án của sinh viên Hoàng Thế Phong, tập trung vào việc thiết kế nhà xưởng một tầng, một nhịp sử dụng khung thép tiền chế. Mục tiêu cốt lõi là áp dụng kiến thức lý thuyết để giải quyết một bài toán kỹ thuật cụ thể. Sinh viên phải thực hiện các nhiệm vụ chính: xác định kích thước sơ bộ của khung ngang, tính toán và thiết kế các cấu kiện phụ như xà gồ, sau đó đi vào phân tích chi tiết. Quá trình này bao gồm việc xác định tải trọng và tác động (tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió, tải trọng cầu trục), sử dụng phần mềm như ETABS để mô hình hóa và phân tích, tìm ra các cặp tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất. Từ đó, tiến hành thiết kế và kiểm tra bền, kiểm tra ổn định kết cấu cho các cấu kiện chính như cột và dầm. Cuối cùng, một phần không thể thiếu là thiết kế các chi tiết liên kết quan trọng như chân cột, vai cột và các mối nối, đảm bảo sự làm việc đồng bộ của toàn hệ thống.
1.2. Vai trò của tiêu chuẩn TCVN 5575 2012 trong thiết kế
TCVN 5575:2012 – “Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế” là kim chỉ nam xuyên suốt quá trình thực hiện đồ án. Tiêu chuẩn này cung cấp các cơ sở pháp lý và kỹ thuật cho mọi bước tính toán. Nó quy định rõ ràng về các loại vật liệu thép, đặc trưng cơ học, các hệ số an toàn và điều kiện làm việc. Các công thức để kiểm tra bền (theo ứng suất pháp và ứng suất tiếp) và kiểm tra ổn định kết cấu (ổn định tổng thể và ổn định cục bộ của bản cánh, bản bụng) đều được lấy từ tiêu chuẩn này. Hơn nữa, TCVN 5575:2012 cũng đưa ra các quy định chi tiết về cấu tạo và tính toán cho liên kết bu lông và liên kết hàn, giúp đảm bảo các mối nối làm việc an toàn và hiệu quả. Việc tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn này không chỉ đảm bảo đồ án đạt yêu cầu học thuật mà còn hình thành tư duy thiết kế chuyên nghiệp, phù hợp với thực tiễn thi công tại Việt Nam.
II. Thách Thức Khi Tính Toán Tải Trọng Cho Kết Cấu Thép
Bước đầu tiên và cũng là thách thức lớn trong mọi đồ án kết cấu công trình thép là xác định chính xác các loại tải trọng và tác động lên công trình. Sai sót ở giai đoạn này sẽ dẫn đến kết quả phân tích nội lực không chính xác, ảnh hưởng đến an toàn của toàn bộ hệ kết cấu. Quá trình này đòi hỏi phải phân tích kỹ lưỡng các nguồn tải trọng khác nhau. Tĩnh tải bao gồm trọng lượng bản thân của các cấu kiện thép, tấm lợp, xà gồ, và các hệ giằng. Hoạt tải bao gồm hoạt tải sửa chữa mái theo quy định và đặc biệt là hoạt tải cầu trục trong các công trình nhà xưởng. Hoạt tải cầu trục, bao gồm áp lực đứng (Dmax, Dmin) và lực hãm ngang, là một trong những loại tải trọng phức tạp nhất cần được tính toán cẩn thận. Bên cạnh đó, tải trọng gió tác dụng lên công trình cũng là một yếu tố quan trọng, được xác định dựa trên vùng gió xây dựng theo TCVN 2737-1995. Sau khi xác định được các loại tải trọng, bước tiếp theo là lập các tổ hợp nội lực để tìm ra các trường hợp bất lợi nhất, làm cơ sở cho việc tính toán kết cấu thép ở các giai đoạn sau.
2.1. Phân loại và xác định các tải trọng tác động
Việc phân loại và xác định tải trọng là nền tảng của quá trình thiết kế. Dựa trên tài liệu gốc, các tải trọng chính bao gồm: 1. Tĩnh tải: bao gồm trọng lượng bản thân của mái tôn, xà gồ, hệ giằng, và trọng lượng của khung chính. 2. Hoạt tải: bao gồm hoạt tải sửa chữa mái (theo TCVN 2737-1995, thường lấy là 30 daN/m²) và hoạt tải cầu trục. Tải trọng cầu trục là một yếu tố phức tạp, bao gồm áp lực đứng lớn nhất Dmax, áp lực đứng nhỏ nhất Dmin và lực hãm ngang T. Các giá trị này phụ thuộc vào sức trục, nhịp cầu trục và được tính toán thông qua đường ảnh hưởng. 3. Tải trọng gió: được xác định theo TCVN 2737-1995, phụ thuộc vào vùng áp lực gió, dạng địa hình và chiều cao công trình. Tải trọng gió được phân thành các thành phần tác dụng vào cột và mái (gió đẩy, gió hút). Mỗi loại tải trọng đều có hệ số độ tin cậy riêng và cần được tính toán một cách chính xác.
2.2. Phương pháp tổ hợp nội lực bằng phần mềm ETABS
Sau khi xác định tất cả các trường hợp tải trọng đơn lẻ, việc tìm ra sự kết hợp nguy hiểm nhất được thực hiện thông qua tổ hợp nội lực. Phần mềm ETABS là công cụ mạnh mẽ được sử dụng trong đồ án để thực hiện nhiệm vụ này. Kỹ sư sẽ mô hình hóa hình học của kết cấu thép, khai báo vật liệu, tiết diện và gán các trường hợp tải trọng đã tính toán. Phần mềm sau đó sẽ tự động tạo ra hàng chục, thậm chí hàng trăm tổ hợp tải trọng theo các quy tắc được định nghĩa trong tiêu chuẩn (ví dụ: Tổ hợp cơ bản 1 và Tổ hợp cơ bản 2). Kết quả cuối cùng là các biểu đồ bao nội lực (bao moment, bao lực cắt, bao lực dọc), cho thấy giá trị lớn nhất và nhỏ nhất tại mọi tiết diện trên khung. Các cặp nội lực nguy hiểm này (ví dụ Mmax và N, V tương ứng) sẽ được xuất ra để phục vụ cho việc thiết kế cột thép, thiết kế dầm thép và các cấu kiện khác.
III. Phương Pháp Thiết Kế Cột Thép Trong Đồ Án Kết Cấu
Thiết kế cột là một trong những hạng mục quan trọng nhất của đồ án kết cấu công trình thép, vì cột là cấu kiện chịu nén và uốn đồng thời, quyết định đến sự ổn định tổng thể của toàn bộ khung. Quá trình tính toán cột thép không chỉ đơn thuần là chọn một tiết diện đủ lớn. Nó đòi hỏi một quy trình kiểm tra đa điều kiện phức tạp để đảm bảo an toàn tuyệt đối. Dựa trên các cặp nội lực nguy hiểm nhất từ kết quả tổ hợp nội lực, kỹ sư phải tiến hành kiểm tra tiết diện đã chọn sơ bộ qua nhiều bước. Các điều kiện kiểm tra cốt lõi bao gồm: kiểm tra bền để đảm bảo vật liệu không bị phá hoại dẻo, và quan trọng hơn là kiểm tra ổn định kết cấu. Điều kiện ổn định được chia thành ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng khung, và ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng. Mỗi điều kiện này đều có công thức tính toán và các hệ số phức tạp được quy định trong TCVN 5575:2012. Việc không thỏa mãn bất kỳ điều kiện nào đều yêu cầu phải tăng tiết diện hoặc có các biện pháp gia cường hợp lý.
3.1. Kiểm tra điều kiện bền và ổn định tổng thể cho cột
Sau khi chọn sơ bộ tiết diện cột (ví dụ I-600x250x6x8), bước kiểm tra chi tiết bắt đầu. Kiểm tra bền được thực hiện với cặp nội lực có độ lệch tâm lớn, đảm bảo ứng suất lớn nhất trong tiết diện không vượt quá cường độ tính toán của thép. Tuy nhiên, với cấu kiện chịu nén như cột, kiểm tra ổn định kết cấu thường mang tính quyết định. Ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung được kiểm tra theo công thức σx = N / (φe * A) ≤ f * γc, trong đó φe là hệ số phụ thuộc vào độ mảnh quy ước và độ lệch tâm tương đối. Ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung phức tạp hơn, yêu cầu xét đến hệ số 'c' kể đến ảnh hưởng của moment uốn. Tất cả các hệ số này đều được tra cứu từ các bảng phụ lục trong TCVN 5575:2012. Việc tính toán chính xác chiều dài tính toán trong và ngoài mặt phẳng khung (phụ thuộc vào liên kết và hệ giằng) là cực kỳ quan trọng.
3.2. Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng
Ổn định cục bộ là hiện tượng các bản thép mỏng (bản cánh, bản bụng) của tiết diện bị mất ổn định (nhăn, phồng) trước khi toàn bộ cấu kiện mất ổn định tổng thể. Điều này đặc biệt quan trọng với các tiết diện tổ hợp hàn. Tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 đưa ra các giới hạn về tỷ số giữa chiều rộng và chiều dày (b/t) cho bản cánh và chiều cao và chiều dày (h/t) cho bản bụng. Ví dụ, điều kiện cho bản cánh là b_of / t_f ≤ [b_o / t_f], trong đó giá trị giới hạn phụ thuộc vào độ mảnh của cấu kiện. Tương tự, bản bụng cũng phải thỏa mãn điều kiện h_w / t_w ≤ [h_w / t_w]. Nếu các điều kiện này không được thỏa mãn, cấu kiện có nguy cơ bị phá hoại sớm. Giải pháp là tăng chiều dày bản thép hoặc bố trí các sườn gia cường dọc và ngang để tăng độ cứng cho bản bụng, ngăn chặn hiện tượng mất ổn định cục bộ.
IV. Bí Quyết Thiết Kế Dầm Mái Và Giàn Vì Kèo Thép Hiệu Quả
Việc thiết kế dầm thép cho mái nhà công nghiệp, thường ở dạng giàn vì kèo thép hoặc dầm có tiết diện thay đổi, là một phần quan trọng trong đồ án kết cấu công trình thép. Khác với cột, dầm mái chủ yếu chịu uốn, do đó việc kiểm tra điều kiện bền và độ võng thường được ưu tiên. Một thiết kế hiệu quả là tối ưu hóa tiết diện dầm để tiết kiệm vật liệu nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu lực. Trong đồ án mẫu, dầm mái được thiết kế với tiết diện thay đổi: lớn hơn ở nách khung (nơi có moment lớn nhất) và nhỏ dần về phía đỉnh mái. Quá trình thiết kế cũng bao gồm việc kiểm tra đầy đủ các điều kiện theo TCVN 5575:2012, tương tự như cột, bao gồm kiểm tra bền và kiểm tra ổn định kết cấu tổng thể (hiện tượng uốn xoắn) và cục bộ. Ngoài ra, một yếu tố đặc thù của dầm là phải kiểm tra điều kiện về độ võng, đảm bảo công trình không bị biến dạng quá mức dưới tác dụng của hoạt tải, gây ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ và các vật liệu bao che.
4.1. Lựa chọn tiết diện và kiểm tra cường độ dầm mái
Lựa chọn tiết diện dầm mái là một bước cân bằng giữa kinh tế và kỹ thuật. Trong đồ án, dầm mái có tiết diện chữ I thay đổi, ví dụ tại nút khung là I-600x250x6x8 và tại điểm nối xà là I-450x250x6x8. Việc lựa chọn này dựa trên biểu đồ moment uốn, nơi nào moment lớn thì tiết diện cao và ngược lại. Sau khi có tiết diện, việc kiểm tra bền được tiến hành tại các vị trí có nội lực lớn nhất (đầu xà, điểm nối, đỉnh khung). Công thức kiểm tra cơ bản là σ = N/A + M/W ≤ f * γc. Do lực dọc trong dầm mái thường nhỏ, ảnh hưởng của moment là chủ yếu. Việc kiểm tra này xác nhận rằng tiết diện đã chọn đủ khả năng chịu được ứng suất lớn nhất mà không bị chảy dẻo.
4.2. Kiểm tra ổn định tổng thể và điều kiện biến dạng độ võng
Đối với các dầm dài, hiện tượng mất ổn định tổng thể khi uốn (uốn xoắn) có thể xảy ra. Điều kiện này được kiểm tra bằng công thức M / (φb * Wx) ≤ f * γc, trong đó φb là hệ số ổn định khi uốn phẳng, phụ thuộc vào chiều dài tính toán của dầm (thường là khoảng cách giữa các điểm được giằng chống xoắn, ví dụ như khoảng cách xà gồ). Một điều kiện quan trọng khác là kiểm tra độ võng. Theo TCVN 5575:2012, độ võng của dầm mái không được vượt quá L/400 (với L là nhịp dầm). Việc kiểm tra này được thực hiện với tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn (không nhân hệ số vượt tải) để đảm bảo điều kiện sử dụng bình thường của công trình. Nếu dầm không đạt yêu cầu về độ võng, giải pháp là tăng chiều cao tiết diện để tăng moment quán tính Ix.
V. Cách Tính Toán Các Liên Kết Bu Lông Và Liên Kết Hàn
Một hệ kết cấu thép chỉ thực sự vững chắc khi các chi tiết liên kết được thiết kế đúng. Chương cuối cùng của một đồ án kết cấu công trình thép luôn tập trung vào việc tính toán các liên kết chi tiết, bao gồm liên kết bu lông và liên kết hàn. Các vị trí liên kết trọng yếu cần được phân tích kỹ lưỡng là liên kết chân cột với móng, liên kết dầm mái vào cột (nách khung), và các mối nối dầm, nối cột. Mỗi loại liên kết có phương pháp tính toán riêng. Liên kết hàn được tính toán dựa trên khả năng chịu cắt của đường hàn, trong khi liên kết bu lông cường độ cao phức tạp hơn, cần kiểm tra khả năng chịu kéo, chịu cắt và chịu ép mặt của thân bu lông. Việc thiết kế bản mã, sườn gia cường đi kèm cũng rất quan trọng để đảm bảo sự truyền lực êm thuận giữa các cấu kiện và tránh các phá hoại cục bộ. Toàn bộ quá trình này phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy định cấu tạo và công thức trong TCVN 5575:2012.
5.1. Thiết kế chi tiết liên kết ngàm chân cột với móng
Liên kết chân cột ngàm với móng là một trong những liên kết phức tạp và quan trọng nhất. Nó chịu toàn bộ nội lực từ khung truyền xuống (moment, lực dọc, lực cắt). Cấu tạo điển hình bao gồm bản đế, bu lông neo và các sườn gia cường. Quá trình thiết kế bắt đầu bằng việc xác định kích thước bản đế dựa trên cặp nội lực nguy hiểm nhất để đảm bảo ứng suất nén dưới bản đế không vượt quá cường độ chịu nén cục bộ của bê tông móng. Sau đó, tính toán và chọn đường kính, chiều dài bu lông neo để chịu toàn bộ lực kéo phát sinh do moment uốn. Cuối cùng, các đường hàn liên kết thân cột vào bản đế và các sườn gia cường được tính toán để chịu lực cắt và đảm bảo sự toàn khối của liên kết. Thiết kế móng cọc hoặc móng đơn phía dưới cũng phải dựa trên cặp nội lực tại chân cột này.
5.2. Tính toán liên kết dầm cột và các mối nối dầm
Liên kết dầm-cột (nách khung) và các mối nối dầm thường sử dụng liên kết bu lông cường độ cao kết hợp với bản mã (mặt bích). Đối với liên kết nách khung, các bu lông phải được tính toán để chịu lực kéo (do moment) và lực cắt. Lực kéo lớn nhất thường xảy ra ở hàng bu lông xa tâm quay nhất. Các bu lông cũng cần được kiểm tra điều kiện chịu cắt và ép mặt do lực cắt từ dầm truyền vào. Bề dày bản bích được xác định từ điều kiện chịu uốn cục bộ do lực kéo từ bu lông gây ra. Tương tự, các mối nối dầm trên chiều dài cấu kiện cũng được tính toán với nguyên tắc tương tự, dựa trên cặp nội lực tại vị trí nối. Việc bố trí bu lông và sườn gia cường phải tuân theo các khoảng cách tối thiểu và tối đa được quy định trong tiêu chuẩn để đảm bảo thi công thuận lợi và liên kết làm việc hiệu quả.
VI. Hoàn Thiện Hồ Sơ Đồ Án Thuyết Minh Và Bản Vẽ Kỹ Thuật
Bước cuối cùng để hoàn thành một đồ án tốt nghiệp xây dựng về kết cấu thép là trình bày kết quả tính toán và thiết kế một cách khoa học và chuyên nghiệp. Một hồ sơ hoàn chỉnh bao gồm hai phần không thể tách rời: thuyết minh đồ án kết cấu thép và bộ bản vẽ kết cấu thép. Thuyết minh là tài liệu diễn giải chi tiết toàn bộ quá trình thực hiện, từ việc nêu cơ sở thiết kế, các tiêu chuẩn áp dụng, quá trình xác định tải trọng, mô hình hóa kết cấu, cho đến việc trình bày các bước kiểm tra bền và ổn định cho từng cấu kiện và chi tiết liên kết. Trong khi đó, bản vẽ là ngôn ngữ của kỹ sư, thể hiện trực quan kết quả thiết kế. Một bộ bản vẽ đầy đủ sẽ bao gồm bản vẽ tổng thể khung, chi tiết các cấu kiện (cột, dầm) và đặc biệt là các bản vẽ chi tiết liên kết. Việc sử dụng các phần mềm như AutoCAD hay Tekla Structures giúp tạo ra các bản vẽ chính xác và chuyên nghiệp, là cơ sở để tiến hành bóc tách khối lượng thép và thi công ngoài thực tế.
6.1. Cấu trúc một bản thuyết minh đồ án kết cấu thép chuẩn
Một bản thuyết minh đồ án kết cấu thép chuẩn cần có cấu trúc logic, rõ ràng. Phần mở đầu giới thiệu về công trình, các thông số đầu vào và các tiêu chuẩn áp dụng. Các chương tiếp theo trình bày tuần tự quá trình thiết kế: Chương 1 - Xác định kích thước sơ bộ khung. Chương 2 - Thiết kế các cấu kiện phụ (xà gồ). Chương 3 - Xác định tải trọng và tác động và phân tích nội lực. Chương 4 - Tính toán cột thép và dầm mái, bao gồm tất cả các bước kiểm tra chi tiết. Chương 5 - Tính toán các loại liên kết chính. Mỗi bước tính toán cần được trình bày rõ ràng, có viện dẫn công thức từ tiêu chuẩn, thay số và đưa ra kết luận (Đạt/Không đạt). Việc trình bày các bảng tổ hợp nội lực và kết quả phân tích từ phần mềm ETABS là bắt buộc. Cuối cùng, phần kết luận tổng kết lại các kết quả thiết kế chính.
6.2. Yêu cầu đối với bộ bản vẽ kết cấu thép thi công
Bộ bản vẽ kết cấu thép là sản phẩm cuối cùng và quan trọng nhất của đồ án. Nó phải thể hiện đầy đủ và chính xác thông tin để đội thi công có thể chế tạo và lắp dựng. Một bộ bản vẽ tiêu chuẩn gồm: 1. Bản vẽ mặt bằng, mặt đứng, mặt cắt tổng thể của công trình. 2. Bản vẽ bố trí các khung ngang, hệ giằng cột, giằng mái. 3. Bản vẽ chi tiết chế tạo từng cấu kiện: cột, dầm, vì kèo, thể hiện rõ kích thước, tiết diện, vị trí các lỗ bu lông. 4. Bản vẽ chi tiết các liên kết điển hình: liên kết chân cột, nách khung, nối dầm, đỉnh vì kèo, liên kết xà gồ. Mỗi chi tiết phải được phóng to, ghi chú rõ ràng về loại bu lông, đường kính, cấp bền, và chi tiết đường hàn (chiều cao, chiều dài). Cuối cùng là bảng thống kê, bóc tách khối lượng thép cho toàn bộ công trình.
