Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bối cảnh thực tiễn và lý do thực hiện

Học phần Kết cấu Thép 2 là một nội dung chuyên ngành trong chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp. Đồ án thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp một tầng được xây dựng nhằm tạo điều kiện cho người học hệ thống hóa kiến thức lý thuyết đã tích lũy từ học phần Kết cấu Thép 1, đồng thời vận dụng trực tiếp vào quy trình tính toán, thiết kế một công trình công nghiệp hoàn chỉnh. Thông qua đồ án, tác giả rèn luyện phương pháp tư duy kết cấu, lựa chọn giải pháp kỹ thuật, phân tích tải trọng, mô hình hóa nội lực và triển khai cấu tạo các bộ phận chịu lực chính trong nhà xưởng công nghiệp.

Mục tiêu và nhiệm vụ thiết kế

Theo văn bản thuyết minh, mục đích và yêu cầu của đồ án (Mục 0.1) cùng khối lượng nhiệm vụ (Mục 0.2) được xác định như sau:

  • Mục đích và yêu cầu:

    1. Ôn lại và nắm vững các kiến thức cơ bản từ học phần Kết cấu Thép 1.
    2. Vận dụng kiến thức vào thực hành thiết kế kết cấu nhà công nghiệp bằng thép.
    3. Rèn luyện kỹ năng phân tích, lựa chọn phương án tính toán và xử lý giải pháp kết cấu thép.
    4. Rèn luyện kỹ năng sử dụng phần mềm hỗ trợ kỹ thuật gồm AutoCAD và các phần mềm phân tích kết cấu như SAP2000, ETABS.

  • Nhiệm vụ và khối lượng thực hiện:

    1. Thuyết minh tính toán: Thành lập sơ đồ kết cấu (kích thước khung ngang, mặt bằng lưới cột, hệ giằng mái, hệ giằng cột); xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang (tĩnh tải mái, hoạt tải sửa chữa, tải trọng cầu trục, tải trọng gió); phân tích và tổ hợp nội lực khung ngang; thiết kế tiết diện cột trục A, B và dàn vì kèo nhịp AB; tính toán các chi tiết liên kết (nối cột, vai cột, chân cột, bulong neo).
    2. Bản vẽ kỹ thuật thể hiện (02 bản vẽ): Sơ đồ khung ngang, bố trí hệ giằng mái và hệ giằng cột; chi tiết cột trục A, B bao gồm chi tiết vai cột và chân cột; chi tiết hệ dàn vì kèo (tiết diện thanh giằng và cấu tạo các nút dàn).

Đối tượng và phạm vi thiết kế

  • Đối tượng thiết kế: Hệ kết cấu chịu lực bằng thép của nhà xưởng công nghiệp một tầng, hai nhịp hỗn hợp gồm nhịp chính AB có cửa trời (cửa mái) thông gió và bố trí cầu trục, kết hợp nhịp phụ BC không có cầu trục.
  • Phạm vi không gian và thông số hình học:
    • Chiều dài tổng thể nhà: $\sum B = 126\text{ m}$, chia thành 21 bước khung với khoảng cách mỗi bước khung $B = 6\text{ m}$.
    • Nhịp chính (nhịp AB): Khẩu độ $L_1 = 24\text{ m}$, sử dụng dàn vì kèo hình thang thép góc liên kết cứng với cột. Bố trí 02 cầu trục hoạt động với sức nâng $Q = 50/10\text{ T}$ ($500\text{ kN}$), chế độ làm việc nặng. Nhịp cầu trục $L_{\text{ct}} = 22,5\text{ m}$.
    • Nhịp phụ (nhịp BC): Sử dụng kết cấu dầm thép, liên kết khớp vào khung chính, độ chênh cao $H_K = 3\text{ m}$.
    • Cao trình mặt ray cầu trục: $H_1 = 17,168\text{ m}$. Cốt mặt nền hoàn thiện: $\pm 0.000$.
    • Mái lợp tôn có độ dốc $i = 10%$. Kích thước cửa trời: chiều cao $h_{\text{ct}} = 1,2\text{ m}$, bề rộng $b_{\text{ct}} = 6\text{ m}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Tiêu chuẩn kỹ thuật và khung quy chuẩn áp dụng

Đồ án sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế và tài liệu chuyên ngành xây dựng của Việt Nam:

  • TCVN 2737:1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế (xác định tĩnh tải, hoạt tải thi công mái, hoạt tải cầu trục và tải trọng gió vùng IA, địa hình A).
  • TCVN 5575:2012: Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế (xác định cường độ tính toán của vật liệu, kiểm tra khả năng chịu lực theo điều kiện bền, độ mảnh giới hạn, ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng, ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng cấu kiện).
  • Giáo trình Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp: Hướng dẫn tra cứu hệ số uốn dọc, xác định chiều dài tính toán của cột có tiết diện thay đổi, tính toán chi tiết dầm vai, bản đế và liên kết đường hàn, bulong neo.

Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế

  1. Phương pháp phân tích giải tích: Áp dụng nguyên lý cơ học kết cấu để xác định kích thước hình học sơ bộ của cột trên, cột dưới, hệ dàn và dầm vai; tính toán diện tích truyền tải để quy đổi tải trọng phân bố về tải trọng tập trung tại các nút xà gồ dàn mái.
  2. Mô hình hóa phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm SAP2000 để thiết lập mô hình khung phẳng ngang của nhà xưởng, gán các trường hợp tải trọng độc lập (tĩnh tải, các trường hợp hoạt tải mái, tải trọng gió trái, gió phải, lực hãm xe con và áp lực đứng bánh xe cầu trục).
  3. Phương pháp tổ hợp nội lực: Thực hiện tổ hợp nội lực theo hai tổ hợp cơ bản (THCB 1 và THCB 2) theo quy định của TCVN 2737:1995 nhằm tìm ra các cặp nội lực nguy hiểm nhất ($M_{\text{max}} - N_{\text{tư}}$, $M_{\text{min}} - N_{\text{tư}}$, $N_{\text{max}} - M_{\text{tư}}$) phục vụ tính toán tiết diện cấu kiện và liên kết.

Dữ liệu và vật liệu đầu vào

  • Thép kết cấu: Thép mác CT34 có cường độ tiêu chuẩn $f_u = 3400\text{ daN/cm}^2$, cường độ tính toán chịu kéo/nén/uốn $f = 2100\text{ daN/cm}^2$, cường độ tính toán chịu cắt $f_v = 1260\text{ daN/cm}^2$, cường độ chịu ép mặt $f_c = 3090,91\text{ daN/cm}^2$.
  • Vật liệu hàn: Que hàn N42 dùng phương pháp hàn tay, cường độ tính toán của mối hàn góc chịu cắt theo kim loại đường hàn $f_{\text{wf}} = 1800\text{ daN/cm}^2$, theo kim loại biên chảy $f_{\text{ws}} = 1530\text{ daN/cm}^2$.
  • Bulong neo: Cấp độ bền 5.8, cường độ chịu kéo tính toán $f_{\text{tb}} = 2000\text{ daN/cm}^2$.
  • Bê tông móng: Cấp độ bền B20 có cường độ chịu nén tính toán $R_b = 11,5\text{ MPa} = 115\text{ daN/cm}^2$; cường độ chịu nén cục bộ $R_{\text{ncb}} = 138\text{ daN/cm}^2$.
  • Thông số khí hậu: Vùng áp lực gió IA, áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 0,55\text{ kN/m}^2$, dạng địa hình A.

Nội dung chính theo từng chương

Chương Mở đầu: Nhiệm vụ thiết kế

Nội dung chương nêu bật mục đích, yêu cầu kỹ thuật và phân bổ khối lượng tính toán cho đồ án kết cấu thép nhà xưởng công nghiệp. Tác giả xác lập rõ hai phần công việc bắt buộc là thuyết minh tính toán chi tiết và thể hiện hai bản vẽ kỹ thuật A1, đảm bảo tính liên kết chặt chẽ giữa lý thuyết tính toán và giải pháp thể hiện bản vẽ thi công.

Chương I: Chọn sơ đồ kết cấu

Chương này tập trung xác định kích thước hình học tổng thể của khung ngang và bố trí hệ giằng không gian cho toàn bộ công trình:

  • Sơ đồ khung ngang: Khung ngang gồm cột thép có tiết diện thay đổi (cột trên đặc, cột dưới rỗng). Nhịp chính AB ($24\text{ m}$) sử dụng dàn vì kèo hình thang liên kết cứng với cột; nhịp phụ BC sử dụng dầm thép liên kết khớp vào cột B; liên kết chân cột với móng là liên kết ngàm.
  • Xác định kích thước cột khung chính:
    • Kích thước theo phương đứng: Chiều cao cột dưới $H_d = 16,97\text{ m}$ (chôn sâu dưới mặt móng $h_m = 0,6\text{ m}$); chiều cao cột trên $H_t = 4,30\text{ m}$; tổng chiều cao cột $H = 20,67\text{ m}$.
    • Kích thước theo phương ngang: Khoảng cách trục định vị đến mép ngoài cột $a = 250\text{ mm}$; khoảng cách an toàn $D = 75\text{ mm}$; khoảng cách $\lambda = 750\text{ mm} > B_1 + (h_t - a) + D = 300 + 400 - 250 + 75 = 525\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện chuyển vị an toàn của cầu trục). Bề rộng tiết diện cột trên chọn sơ bộ $h_t = 400\text{ mm}$; bề rộng tiết diện cột dưới chọn $h_d = 1200\text{ mm}$.
  • Kích thước dàn vì kèo và cửa trời: Dàn hình thang nhịp $24\text{ m}$, độ dốc mái $10%$, chiều cao đầu dàn $h_{\text{đd}} = 1,2\text{ m}$, chiều cao giữa dàn $h_{\text{gđ}} = 1,2\text{ m}$. Cửa trời thông gió đặt dọc nhịp chính có chiều cao $1,2\text{ m}$ và bề rộng $6\text{ m}$.
  • Bố trí hệ thống giằng không gian: Thiết lập hệ giằng mái (giằng trong mặt phẳng cánh trên, giằng cánh dưới, giằng đứng) và hệ giằng cột (giằng cột trên tại đầu hồi và giữa nhà; giằng cột dưới dạng chữ thập bố trí giữa hai nhánh cột tại cao trình $+7,885\text{ m}$) nhằm đảm bảo độ cứng không gian, tính bất biến hình và khả năng truyền lực dọc nhà.

Chương II: Tính toán khung ngang

Chương II trình bày quy trình tính toán tải trọng tác dụng, lập sơ đồ tính toán trong phần mềm SAP2000 và tiến hành tổ hợp nội lực:

  • Xác định các thành phần tải trọng:
    • Tĩnh tải mái và xà gồ: Tải trọng mái tôn $g_m = 0,05\text{ kN/m}^2$, tải trọng xà gồ và hệ giằng $g_{\text{xg+g}} = 0,15\text{ kN/m}^2$. Quy đổi thành lực tập trung tác dụng lên nút dàn: nút đầu dàn $G_1 = 0,9915\text{ kN}$, nút giữa dàn $G_2 = 1,983\text{ kN}$. Trọng lượng kính cửa trời $g_k = 20\text{ kg/m}^2$.
    • Hoạt tải sửa chữa mái: Hoạt tải tiêu chuẩn $p^{\text{tc}} = 0,30\text{ kN/m}^2$, hệ số vượt tải $n_p = 1,3$, tải tính toán phân bố $p^{\text{tt}} = 0,39\text{ kN/m}^2$. Tải tập trung tại nút dàn: nút đầu dàn $P_1 = 1,755\text{ kN}$, nút giữa dàn $P_2 = 3,51\text{ kN}$.
    • Tải trọng cầu trục: Trọng lượng dầm cầu trục $G_{\text{dct}} = 13,32\text{ kN}$. Áp lực bánh xe tiêu chuẩn tác dụng lên ray: $P^{\text{tc}}{\text{max}} = 465\text{ kN}$, $P^{\text{tc}}{\text{min}} = 117,5\text{ kN}$, tổng trọng lượng 2 cầu trục $G = 665\text{ kN}$. Lực hãm ngang tiêu chuẩn của xe con $T_1 = 17\text{ kN}$ với hệ số ma sát móc mềm $f_{\text{ms}} = 0,1$.
    • Tải trọng gió: Áp lực gió tiêu chuẩn vùng IA $W_0 = 0,55\text{ kN/m}^2$, hệ số vượt tải $n = 1,2$, tính toán hệ số khí động $c$ và hệ số độ cao $k$ phân bố theo các cao trình cột và mái.
  • Phân tích mô hình và tổ hợp nội lực: Mô hình hóa kết cấu khung phẳng trong SAP2000 qua 13 trường hợp đặt tải độc lập. Tiến hành tổ hợp nội lực theo THCB 1 (Tĩnh tải + 1 hoạt tải nguy hiểm nhất) và THCB 2 (Tĩnh tải + 0,9 $\times$ các hoạt tải đồng thời). Kết quả tổ hợp chọn ra các giá trị nội lực cực hạn tại tiết diện chân và đỉnh cột trên, chân và đỉnh cột dưới trục A và trục B để thiết kế.
Vị trí tiết diện Tổ hợp nội lực nguy hiểm Lực dọc $N$ (kN) Momen uốn $M$ (kNm) Lực cắt $Q$ (kN)
Đỉnh cột trên THCB 2 ($M_{\text{max}}$) $-25,727$ $+106,88$ $+43,707$
Chân cột trên THCB 2 ($N_{\text{max}}$) $-77,428$ $+26,071$ $-11,102$
Chân cột dưới trục A (Nhánh chữ C) THCB 2 ($N_{\text{max}}$) $-1129,43$ - $+0,490$
Chân cột dưới trục A (Nhánh chữ I) THCB 2 ($N_{\text{max}}$) $-1159,59$ - $+2,590$

Chương III: Thiết kế cột

Chương III trình bày toàn bộ quy trình tính toán tiết diện cột và các chi tiết cấu tạo liên kết:

  • Xác định chiều dài tính toán của cột: Tỷ số độ cứng $n = 0,493$, tỷ số lực nén $\beta = 22,02$, tỷ số chiều dài $\alpha = 0,153$. Tra bảng TCVN 5575:2012 thu được hệ số chiều dài tính toán trong mặt phẳng: cột dưới $\mu_1 = 2,0 \to L_{1x} = 33,94\text{ m}$; cột trên $\mu_2 = 3,0 \to L_{2x} = 12,90\text{ m}$. Chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng: cột dưới $L_{1y} = 8,485\text{ m}$ (do có giằng giữa); cột trên $L_{2y} = 3,70\text{ m}$.
  • Thiết kế và kiểm tra tiết diện cột trên: Chọn tiết diện chữ I tổ hợp đối xứng: bản cánh $180 \times 10\text{ mm}$, bản bụng $330 \times 6\text{ mm}$, tổng chiều cao $h_t = 400\text{ mm}$, diện tích $A = 55,8\text{ cm}^2$. Kết quả kiểm tra: độ mảnh $\lambda_x = 87,22 \le [\lambda] = 120$; ứng suất bền $\sigma = 18,12\text{ kN/cm}^2 \le \gamma_c f = 18,9\text{ kN/cm}^2$; ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng $\sigma_y = 4,77\text{ kN/cm}^2 \le 18,9\text{ kN/cm}^2$; ổn định cục bộ bản cánh $b_c/t_f = 8,7 \le 20,11$; ổn định cục bộ bản bụng $h_w/t_w = 55,0 \le 120,17$.
  • Thiết kế và kiểm tra tiết diện cột dưới: Sử dụng cột rỗng 2 nhánh, bề rộng $b = 350\text{ mm}$, chiều cao tiết diện $h_d = 1200\text{ mm}$:
    • Nhánh cầu trục (Nhánh 1): Tiết diện chữ I tổ hợp (bản cánh $180 \times 12\text{ mm}$, bản bụng $326 \times 8\text{ mm}$), $A_1 = 69,28\text{ cm}^2$, chịu lực nén tính toán $N_1 = 1159,60\text{ kN}$.
    • Nhánh mái (Nhánh 2): Tiết diện chữ C tổ hợp (bản thép $10 \times 330\text{ mm}$ kết hợp 2 thép góc $L160 \times 10$), $A_2 = 95,80\text{ cm}^2$, chịu lực nén tính toán $N_2 = 1129,95\text{ kN}$.
    • Hệ thanh bụng: Thanh xiên dùng 1 thép góc $L70 \times 6$ ($F_{\text{tx}} = 8,15\text{ cm}^2$, góc nghiêng $\alpha = 44,12^\circ$); thanh ngang dùng 1 thép góc $L50 \times 4$ ($F_{\text{tn}} = 3,89\text{ cm}^2$).
    • Kiểm tra khả năng chịu lực: Cột dưới thỏa mãn điều kiện ổn định của từng nhánh riêng biệt và ổn định tổng thể toàn cột theo trục ảo $x-x$.

Thiết kế và triển khai chi tiết kết cấu

Căn cứ trên các kết quả nội lực tính toán từ mô hình, đồ án triển khai chi tiết cấu tạo các bộ phận liên kết chính của cột thép:

[Sơ đồ bố trí cấu tạo các bộ phận liên kết chính của cột]
- Mối nối cột: Cách vai cột +500 mm (Hàn đối đầu cánh ngoài, hàn bản K cánh trong)
- Dầm vai: Cao 700 mm, dày bản bụng 14 mm (Đỡ dầm cầu trục Dmax + Gdct)
- Chân cột rỗng: Bản đế dày 30 mm, dầm đế cao 220 mm, sườn ngăn dày 10-14 mm
- Bulong neo: Nhánh mái 4 M30 (sâu 1050 mm) | Nhánh cầu trục 4 M36 (sâu 1300 mm)

1. Chi tiết mối nối cột trên và cột dưới

  • Vị trí bố trí: Đặt tại công trường ở cao trình cách mặt trên vai cột $500\text{ mm}$ nhằm thuận tiện cho thao tác hàn lắp ghép và nằm ở khu vực có biểu đồ momen giảm nhỏ.
  • Giải pháp cấu tạo: Cánh ngoài của cột trên liên kết trực tiếp vào bản lưng của cột dưới bằng đường hàn đối đầu. Cánh trong cột trên hàn đối đầu với bản thép trung gian (bản K) được xẻ rãnh lồng xuyên qua dầm vai. Bản bụng cột trên liên kết bằng đường hàn đối đầu chiều cao $h_w = 6\text{ mm}$ chạy suốt chiều cao bản bụng.

2. Cấu tạo và tính toán dầm vai cột

  • Sơ đồ làm việc: Dầm vai làm việc như một dầm đơn giản nhịp $l = h_d = 1,2\text{ m}$, chịu lực ép cục bộ lớn từ dầm cầu trục và tải trọng bánh xe ($D_{\text{max}} + G_{\text{dct}} = 1007,26\text{ kN}$) cùng lực truyền từ nhánh trong cột trên ($N_{\text{trong}} = 228,92\text{ kN}$). Momen uốn lớn nhất tại tiết diện tính toán là $M_{\text{max}} = 181,23\text{ kNm}$.
  • Thông số tiết diện: Chiều cao dầm vai chọn $h_{\text{dv}} = 700\text{ mm}$; chiều dày bản bụng dầm vai $t_{w,\text{dv}} = 14\text{ mm}$; bản đậy bên trên dày $t_{\text{bđ}} = 20\text{ mm}$; bản cánh dưới dày $t_{f,\text{dv}} = 10\text{ mm}$.
  • Liên kết đường hàn: Bản bụng nhánh cầu trục xẻ rãnh để bản bụng dầm vai lồng qua, liên kết bằng 4 đường hàn góc chiều cao $h_f = 8\text{ mm}$, đảm bảo khả năng truyền ứng suất cắt và chịu uốn.

3. Chi tiết chân cột và liên kết móng

  • Bản đế chân cột: Bố trí bản đế riêng biệt cho từng nhánh cột rỗng. Kích thước bản đế mỗi nhánh có bề rộng $B = 55\text{ cm}$, chiều dày bản đế chọn chung $t_{\text{bd}} = 3\text{ cm}$ ($30\text{ mm}$), đảm bảo ứng suất nén truyền xuống móng bê tông không vượt quá cường độ ép mặt cục bộ của bê tông B20 ($R_{\text{ncb}} = 138\text{ daN/cm}^2$).
  • Dầm đế và sườn ngăn:
    • Dầm đế: Chiều cao $h_{\text{dđ}} = 22\text{ cm}$, chiều dày $t_{\text{dđ}} = 1,0\text{ cm}$.
    • Sườn ngăn: Chiều cao sườn $h_s = 20 \div 22\text{ cm}$, chiều dày sườn $t_s = 1,0 \div 1,4\text{ cm}$. Liên kết sườn và dầm đế vào má cột bằng các đường hàn góc $h_f = 10 \div 14\text{ mm}$.
  • Tính toán bulong neo: Bulong neo chịu lực kéo lớn nhất do momen lật gây ra tại chân cột:
    • Nhánh mái: Chịu lực kéo $N_{\text{bl}} = 386,93\text{ kN}$, bố trí 4 bulong $\Phi 30$ (diện tích thu hẹp $A_{\text{th}} = 5,18\text{ cm}^2$), chiều sâu chôn vào móng bê tông $1050\text{ mm}$, khoảng cách đến dầm đế $e = 40\text{ mm}$.
    • Nhánh cầu trục: Chịu lực kéo $N_{\text{bl}} = 586,26\text{ kN}$, bố trí 4 bulong $\Phi 36$ (diện tích thu hẹp $A_{\text{th}} = 7,58\text{ cm}^2$), chiều sâu chôn vào móng bê tông $1300\text{ mm}$, khoảng cách đến dầm đế $e = 45\text{ mm}$.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Tổng hợp thông số thiết kế kết cấu chính

Các kết quả tính toán tiết diện cấu kiện và chi tiết cấu tạo được tổng hợp trong bảng sau:

Bộ phận kết cấu Loại tiết diện / Quy cách cấu tạo Kích thước hình học Thông số chịu lực chính
Cột trên Chữ I đối xứng tổ hợp hàn Cánh $180 \times 10\text{ mm}$, Bụng $330 \times 6\text{ mm}$ $A = 55,8\text{ cm}^2$, $\sigma = 18,12\text{ kN/cm}^2 \le 18,9\text{ kN/cm}^2$
Nhánh cầu trục (Cột dưới) Chữ I tổ hợp hàn Cánh $180 \times 12\text{ mm}$, Bụng $326 \times 8\text{ mm}$ $A_1 = 69,28\text{ cm}^2$, $N_1 = 1159,60\text{ kN}$
Nhánh mái (Cột dưới) Chữ C tổ hợp (1 thép bản + 2 thép góc) Bản $10 \times 330\text{ mm} + 2 L160 \times 10$ $A_2 = 95,80\text{ cm}^2$, $N_2 = 1129,95\text{ kN}$
Thanh giằng xiên bụng cột 01 thép góc đều cạnh $L70 \times 6$ $F_{\text{tx}} = 8,15\text{ cm}^2$, $\alpha = 44,12^\circ$
Thanh ngang bụng cột 01 thép góc đều cạnh $L50 \times 4$ $F_{\text{tn}} = 3,89\text{ cm}^2$, $[\lambda] = 150$
Dầm vai Tiết diện chữ I tổ hợp hàn Cao $700\text{ mm}$, Bụng dày $14\text{ mm}$ $M_{\text{max}} = 181,23\text{ kNm}$, Đỡ tải $1007,26\text{ kN}$
Bản đế chân cột Thép bản chịu nén mặt móng Rộng $55\text{ cm}$, Dày $30\text{ mm}$ $\sigma_{\text{đáy}} \le R_{\text{ncb}} = 138\text{ daN/cm}^2$
Bulong neo nhánh mái Bulong neo cấp bền 5.8 04 bulong $\Phi 30$ Neo sâu $1050\text{ mm}$, chịu kéo $386,93\text{ kN}$
Bulong neo nhánh cầu trục Bulong neo cấp bền 5.8 04 bulong $\Phi 36$ Neo sâu $1300\text{ mm}$, chịu kéo $586,26\text{ kN}$

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Lựa chọn tiết diện cột dưới dạng rỗng: Việc sử dụng cột rỗng 2 nhánh có khoảng cách tim $h_d = 1,2\text{ m}$ giúp tối ưu hóa khả năng chịu momen uốn lớn sinh ra từ cầu trục sức nâng $50\text{ T}$, đồng thời tiết kiệm khối lượng thép so với tiết diện đặc tương đương.
  • Bố trí bản đế riêng cho từng nhánh: Giảm thiểu kích thước tấm thép bản đế, phân tán đều áp lực cục bộ xuống đài móng bê tông B20 và giúp quá trình định vị bulong neo trong thi công móng thuận lợi hơn.
  • Cấu tạo mối nối cột trên cao: Bố trí cách vai cột $500\text{ mm}$ giúp đưa mối hàn đối đầu ra khỏi vùng ứng suất tập trung phức tạp tại nút vai cột.

Hạn chế và phạm vi chưa thực hiện

Căn cứ theo giới hạn nội dung được trình bày trong tập tài liệu thuyết minh:

  • Giới hạn mô hình phẳng: Đồ án phân tích nội lực dựa trên mô hình khung phẳng 2D trong SAP2000, chưa xét đến sự làm việc không gian tổng thể 3D của toàn bộ khối nhà xưởng gồm 21 bước khung cùng hệ giằng.
  • Giả định về dầm cầu trục: Phần dầm cầu trục không được tác giả tính toán thiết kế chi tiết mà sử dụng các thông số giả thiết sơ bộ (hệ số trọng lượng bản thân $\alpha_{\text{dct}} = 37$, bề rộng sườn đầu dầm $b_s = 300\text{ mm}$) để phục vụ tính toán dầm vai.
  • Nội dung dàn vì kèo trong thuyết minh: Tập thuyết minh hiện tại kết thúc ở phần tính toán bulong neo chân cột (trang 50), chưa thể hiện các bảng tính chi tiết cho việc lựa chọn tiết diện thanh dàn vì kèo nhịp AB và tính toán liên kết các nút dàn (dù đã được nêu trong nhiệm vụ ban đầu).

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Kỹ thuật Công trình Xây dựng đang thực hiện đồ án môn học Kết cấu Thép 2 hoặc đồ án tốt nghiệp chuyên ngành công trình công nghiệp.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm:
    1. Trình tự xác định kích thước khung ngang nhà công nghiệp khẩu độ lớn có cầu trục sức nâng nặng ($50\text{ T}$).
    2. Quy trình gán tải trọng, xử lý các trường hợp hoạt tải cầu trục và tổ hợp nội lực chuẩn xác theo TCVN 2737:1995.
    3. Phương pháp tính toán, kiểm tra ổn định tổng thể và cục bộ cột rỗng 2 nhánh không đối xứng theo TCVN 5575:2012.
    4. Các bước thiết kế chi tiết dầm vai chịu tải trọng bánh xe lớn và thiết kế bản đế, bulong neo chân cột ngàm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chiều dài tính toán trong mặt phẳng của cột trên lại lấy hệ số $\mu_2 = 3,0$?

Theo TCVN 5575:2012 (Bảng 20), hệ số chiều dài tính toán của cột có tiết diện thay đổi phụ thuộc vào tỷ số độ cứng đơn vị giữa cột dưới và cột trên ($n = 0,493$), tỷ số lực nén lớn nhất giữa hai phần ($\beta = 22,02 > 3$) và tỷ số chiều dài ($H_t / H_d = 0,253 < 0,6$). Tra bảng với điều kiện đầu cột chỉ liên kết mà không cho xoay, ta xác định được $\mu_1 = 2,0$ cho cột dưới và $\mu_2 = 3,0$ cho cột trên ($L_{2x} = 3,0 \times 4,3 = 12,9\text{ m}$).

2. Giải pháp liên kết giữa dầm vai và cột dưới được cấu tạo như thế nào để truyền tải trọng cầu trục?

Bản bụng của nhánh cầu trục được xẻ rãnh để bản bụng dầm vai (chiều cao $700\text{ mm}$, dày $14\text{ mm}$) xuyên qua. Hai bản bụng này liên kết với nhau bằng 4 đường hàn góc có chiều cao $h_f = 8\text{ mm}$. Cánh trên dầm vai có bản đậy dày $20\text{ mm}$ tiếp nhận phản lực trực tiếp từ sườn đầu dầm cầu trục truyền vào dầm vai thông qua diện tích ép mặt cục bộ.

3. Quy cách tiết diện và vật liệu của hệ thanh bụng cột dưới được lựa chọn như thế nào?

Hệ thanh bụng của cột dưới gồm hai loại: thanh giằng xiên sử dụng 1 thép góc đều cạnh $L70 \times 6$ ($F_{\text{tx}} = 8,15\text{ cm}^2$, góc nghiêng với trục nhánh $\alpha = 44,12^\circ$), liên kết vào má cột bằng đường hàn sống dài $6\text{ cm}$ và đường hàn mép dài $4\text{ cm}$; thanh bụng ngang sử dụng 1 thép góc đều cạnh $L50 \times 4$ ($F_{\text{tn}} = 3,89\text{ cm}^2$), liên kết bằng đường hàn cấu tạo có chiều dài $5\text{ cm}$.

4. Cơ sở xác định kích thước và số lượng bulong neo tại chân cột là gì?

Bulong neo được tính toán dựa trên lực kéo lớn nhất phát sinh tại từng nhánh cột do momen lật gây ra. Sử dụng bulong cấp bền 5.8 ($f_{\text{tb}} = 2000\text{ daN/cm}^2$), mỗi nhánh bố trí 4 bulong:

  • Nhánh mái chịu lực kéo $386,93\text{ kN}$ sử dụng 4 bulong $\Phi 30$ ($A_{\text{th}} = 5,18\text{ cm}^2$), chôn sâu vào móng $1050\text{ mm}$.
  • Nhánh cầu trục chịu lực kéo $586,26\text{ kN}$ sử dụng 4 bulong $\Phi 36$ ($A_{\text{th}} = 7,58\text{ cm}^2$), chôn sâu vào móng $1300\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp một tầng" của sinh viên Dương Duy Minh trình bày quy trình tính toán hoàn chỉnh cho hệ khung chịu lực chính của nhà xưởng 2 nhịp có cầu trục $50\text{ T}$. Các bước xác định tải trọng, mô hình hóa nội lực trên SAP2000 và kiểm tra điều kiện bền, độ võng, ổn định của cột thép đều bám sát các quy định trong TCVN 2737:1995 và TCVN 5575:2012. Hồ sơ tính toán cung cấp đầy đủ các thông số kích thước cấu kiện, chi tiết vai cột, bản đế và hệ thống bulong neo, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của đồ án môn học chuyên ngành xây dựng công trình.