Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực xây dựng công trình công nghiệp, nhà xưởng kết cấu thép một tầng có trang bị cầu trục là loại hình kiến trúc - kết cấu phổ biến nhằm đáp ứng yêu cầu không gian thông thủy lớn, khả năng chịu tải trọng động nặng và thời gian thi công lắp dựng nhanh. Đồ án môn học Kết cấu thép với đề tài "Đồ án Nhà công nghiệp một tầng" do sinh viên Trần Nhã Thanh (MSSV: 1613129) thực hiện dưới sự hướng dẫn của GVHD Nguyễn Thị Bích Thủy, tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho hệ kết cấu chịu lực chính của một nhà xưởng công nghiệp.

Công trình được thiết kế xây dựng tại huyện Cẩm Bình, tỉnh Hải Hưng, đặt trên vùng địa hình B (địa hình trống trải), thuộc vùng áp lực gió IIIB (khu vực ít chịu ảnh hưởng của bão). Công trình có yêu cầu niên hạn sử dụng (tuổi thọ thiết kế) là 50 năm.

Nhiệm vụ và mục tiêu thiết kế của đồ án được xác lập theo các nội dung cụ thể sau:

  1. Xác lập kích thước hình học chính của khung ngang nhà xưởng theo phương đứng và phương ngang dựa trên quy chuẩn không gian và thông số vận hành của cầu trục.
  2. Thiết kế bố trí hệ thống giằng không gian (giằng cột và giằng mái) nhằm bảo đảm tính bất biến hình và độ cứng tổng thể cho công trình.
  3. Xác định và tính toán đầy đủ các loại tải trọng tác dụng lên khung ngang, bao gồm tĩnh tải mái, hoạt tải sửa chữa mái, hoạt tải cầu trục và tải trọng gió.
  4. Xây dựng mô hình tính toán, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích nội lực khung ngang, thực hiện tổ hợp tải trọng nhằm tìm các tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất.
  5. Thiết kế và kiểm tra khả năng chịu lực, ổn định của các cấu kiện chịu lực chính: cột trên (tiết diện đặc chữ H), cột dưới (tiết diện rỗng hai nhánh), hệ thanh bụng giằng, chi tiết liên kết vai cột và bản đế chân cột.

Đối tượng nghiên cứu là khung ngang điển hình của nhà công nghiệp một tầng, một nhịp $L = 24\text{ m}$, chiều dài toàn bộ nhà xưởng là $66\text{ m}$ với bước khung $B = 6\text{ m}$. Phạm vi công trình trang bị 02 cầu trục có cùng sức nâng $Q = 15\text{ T}$, hoạt động ở chế độ làm việc trung bình, cao trình đỉnh ray $H_r = 7.4\text{ m}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Đồ án xây dựng dựa trên lý thuyết tính toán kết cấu thép theo trạng thái giới hạn và tuân thủ các tiêu chuẩn, tài liệu chuyên ngành xây dựng tại Việt Nam:

  • Tiêu chuẩn Tải trọng và tác động TCVN 2737:1995: Áp dụng để xác định giá trị tiêu chuẩn, hệ số vượt tải ($n$), hệ số tổ hợp ($n_c$), phân vùng áp lực gió ($q_0 = 125\text{ daN/m}^2 = 1.25\text{ kN/m}^2$), hệ số khí động ($c$) và hệ số biến đổi áp lực gió theo độ cao ($k$).
  • Giáo trình Kết cấu thép (Tác giả: Ngô Vi Long): Sử dụng hệ thống công thức giải tích và các bảng phụ lục chuyên dụng (Phụ lục 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9) để tra cứu hệ số uốn dọc ($\varphi$), hệ số ảnh hưởng hình dáng tiết diện ($\eta$), độ mảnh giới hạn ($\lambda$), và các thông số hình học của thép hình cán nóng.
  • Giáo trình Kết cấu thép (Tác giả: Đoàn Định Kiến): Áp dụng phương trình xác định trục trung hòa và phân bố diện tích tiết diện nhánh cột rỗng chịu nén uốn không đối xứng.

Phương pháp tính toán và xử lý dữ liệu

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Khung ngang được mô hình hóa dưới dạng hệ thanh phẳng đàn hồi trên phần mềm kết cấu SAP (SAP2000). Trục cột dưới được quy về cùng trục cột trên kết hợp khai báo các lực dọc và mô men uốn tập trung đặt tại đỉnh cột dưới để phản ánh chính xác độ lệch tâm kết cấu. Độ cứng của đoạn cột dưới được giả thiết sơ bộ gấp 8 lần độ cứng đoạn cột trên ($J_d / J_t = 8$).
  • Phương pháp đường ảnh hưởng: Sử dụng để tính toán phản lực lớn nhất ($D_{max}$), nhỏ nhất ($D_{min}$) và lực hãm ngang ($T$) truyền từ bánh xe cầu trục lên vai cột khi 2 cầu trục cùng vận hành ở vị trí bất lợi nhất.
  • Phương pháp kiểm tra trạng thái giới hạn: Kiểm nghiệm ứng suất bền, ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn, ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn và ổn định cục bộ của từng bản thành phần (bản cánh, bản bụng) theo quy chuẩn kết cấu kim loại.

Nguồn vật liệu và dữ liệu thiết kế

  • Thép kết cấu: Mác thép CCT34 có cường độ tính toán chịu kéo/nén/uốn $f = 21\text{ kN/cm}^2$, cường độ tiêu chuẩn $f_u = 34\text{ kN/cm}^2$, khối lượng riêng dung trọng $E = 2.85\text{ T/m}^3$.
  • Vật liệu liên kết: Que hàn N42 dùng cho phương pháp hàn tay với cường độ tính toán của đường hàn đối đầu $f_{wf} = 18\text{ kN/cm}^2$ và đường hàn góc $f_{ws} = 15.3\text{ kN/cm}^2$; bu lông liên kết và bu lông neo chọn theo cấp độ bền tiêu chuẩn.
  • Bê tông móng: Cấp độ bền B15 có cường độ chịu nén tính toán $R_b = 0.85\text{ kN/cm}^2$, cường độ chịu nén cục bộ dưới bản đế $R_{nencb} = 1.02\text{ kN/cm}^2$.
  • Thông số cầu trục $Q = 15\text{ T}$: Ray loại KP70; chiều cao gabarit cầu trục $H_k = 2300\text{ mm}$; bề rộng cầu trục $B = 6300\text{ mm}$; nhịp cầu trục $L_k = 23\text{ m}$; khoảng cách từ tim ray đến mép ngoài cầu trục $B_1 = 280\text{ mm}$; trọng lượng xe con $G_{xc} = 8.4\text{ T}$; trọng lượng toàn bộ cầu trục $G_{ct} = 34\text{ T}$; áp lực tiêu chuẩn bánh xe $P_{max}^{tc} = 190\text{ kN}$, $P_{min}^{tc} = 55\text{ kN}$; khoảng cách giữa 2 trục bánh xe $K = 4400\text{ mm}$.

Nội dung chính theo từng phần của đồ án

Phần I & II: Xác định kích thước hình học và hệ giằng nhà xưởng

Dựa trên số liệu ban đầu, kích thước hình học của khung ngang được xác định đồng bộ theo hai phương:

Thông số kích thước Công thức / Căn cứ tính toán Giá trị thiết kế
Chiều cao ray và đệm ($h_r$) Chọn sơ bộ $200\text{ mm}$
Chiều cao dầm cầu trục ($h_{dct}$) Chọn sơ bộ theo nhịp dầm $0.6\text{ m}$ ($600\text{ mm}$)
Chiều sâu chôn cột ngàm ($h_m$) Ngàm tại mặt hoàn thiện cốt $\pm 0.000$ $0\text{ mm}$
Chiều cao cột dưới ($H_d$) $H_d = H_r + h_m - h_r - h_{dct}$ $7.0\text{ m}$
Độ võng cho phép của dàn ($f$) $f = L / 100 = 24000 / 100$ $240\text{ mm}$
Chiều cao cột trên ($H_t$) $H_t = H_k + h_r + h_{dct} + f + 100$ $3500\text{ mm}$ ($3.5\text{ m}$)
Khoảng cách tim ray đến trục định vị ($\lambda$) $\lambda = (L - L_k)/2 = (24000 - 23000)/2$ $500\text{ mm}$
Khoảng cách mép ngoài cột đến trục định vị ($a$) Chọn để tim cột trên trùng trục định vị $400\text{ mm}$
Bề rộng tiết diện cột trên ($h_t$) $h_t = (1/12 \div 1/10) H_t$ $400\text{ mm}$
Bề rộng tiết diện cột dưới ($h_d$) $h_d = a + \lambda = 400 + 500$ $900\text{ mm}$
Khe hở an toàn cầu trục ($D$) $D = a - h_t - B_1 + \lambda$ $220\text{ mm}$ ($> 70\text{ mm}$)
Chiều rộng cửa mái ($L_{cm}$) $L_{cm} = (1/4 \div 1/2) L$ $6\text{ m}$
Chiều cao cửa mái ($H_{cm}$) Chọn bằng chiều cao đầu dàn $2.2\text{ m}$
Độ dốc dàn mái và cửa mái ($i$) Độ dốc thoát nước tiêu chuẩn $10%$ ($i = 1/10$)

Hệ thống giằng được bố trí toàn diện gồm hai phân hệ:

  1. Hệ giằng cột: Bao gồm giằng cột trên (trong phạm vi chiều cao cột trên) và giằng cột dưới (bố trí dạng chữ thập giữa các bước cột tại vị trí đầu hồi và giữa nhà) nhằm đảm bảo ổn định dọc và truyền lực hãm cầu trục xuống móng.
  2. Hệ giằng mái: Gồm giằng cánh trên (chống mất ổn định ngoài mặt phẳng dàn), giằng cánh dưới (tạo độ cứng trong mặt phẳng ngang nhà), và hệ giằng đứng đặt tại vị trí các thanh đứng đầu dàn và giữa dàn.

Phần III: Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang

1. Tĩnh tải mái và trọng lượng bản thân kết cấu

Tải trọng thường xuyên phân bố đều trên mái được tổng hợp từ cấu tạo các lớp lợp:

  • Tấm lợp panel bê tông: $g^{tc} = 150\text{ daN/m}^2$, hệ số $n = 1.1 \rightarrow g^{tt} = 165\text{ daN/m}^2$.
  • Lớp bê tông nhẹ cách nhiệt dày $4\text{ cm}$: $g^{tc} = 40\text{ daN/m}^2$, $n = 1.2 \rightarrow g^{tt} = 48\text{ daN/m}^2$.
  • Lớp chống thấm (2 giấy + 3 dầu): $g^{tc} = 10\text{ daN/m}^2$, $n = 1.2 \rightarrow g^{tt} = 12\text{ daN/m}^2$.
  • Lớp vữa trát dày $4\text{ cm}$: $g^{tc} = 80\text{ daN/m}^2$, $n = 1.2 \rightarrow g^{tt} = 96\text{ daN/m}^2$.
  • Hai lớp gạch lá nem dày $3\text{ cm}$: $g^{tc} = 120\text{ daN/m}^2$, $n = 1.1 \rightarrow g^{tt} = 132\text{ daN/m}^2$.
  • Tổng tải trọng các lớp mái: $g^{tc} = 400\text{ daN/m}^2$, $g^{tt} = 453\text{ daN/m}^2$.
  • Kết cấu mái và giằng: $g_1^{tt} = 1.2 \times 30 = 36\text{ daN/m}^2$.
  • Kết cấu cửa mái: $g_2^{tt} = 1.2 \times 15 = 18\text{ daN/m}^2$; Bậu cửa mái: $g_{bc}^{tt} = 1.1 \times 150 = 165\text{ daN/m}^2$; Cửa kính và khung: $g_{ck}^{tt} = 1.1 \times 40 = 44\text{ daN/m}^2$.

Tĩnh tải được quy đổi về lực tập trung đặt tại các mắt dàn cánh trên. Phản lực mái truyền xuống đỉnh cột tạo mô men lệch tâm $M_n = 357.275\text{ kNm}$ (với độ lệch tâm $e = (h_d - h_t)/2 = 0.25\text{ m}$). Trọng lượng dầm cầu trục $P_{dcc} = 11.52\text{ kN}$ tác dụng với độ lệch tâm $e_1 = h_d/2 = 0.45\text{ m}$, gây ra mô men $M_{dcc} = 11.184\text{ kNm}$.

2. Hoạt tải sửa chữa mái

Theo TCVN 2737:1995, do sử dụng mái nặng lợp panel bê tông, hoạt tải sửa chữa mái tiêu chuẩn lấy $p^{tc} = 75\text{ daN/m}^2$, hệ số vượt tải $n = 1.3 \rightarrow p^{tt} = 1.98\text{ kN/m}^2$. Khi dồn tải về một khung ngang với bước $B = 6\text{ m}$, tải phân bố đều đạt $q^{tt} = 0.88\text{ kN/m}$, quy về lực tập trung tại các mắt dàn là $P_1 = 0.64\text{ kN}$.

3. Tải trọng cầu trục

Sử dụng đường ảnh hưởng cho hệ 2 cầu trục hoạt động đồng thời:

  • Hệ số vượt tải $n = 1.1$; hệ số tổ hợp hai cầu trục $n_c = 0.9$.
  • Áp lực đứng lớn nhất truyền lên vai cột: $D_{max} = 366.8\text{ kN}$; mô men lệch tâm tương ứng $M_{max} = D_{max} \times e_1 = 366.06\text{ kNm}$.
  • Áp lực đứng nhỏ nhất truyền lên vai cột đối diện: $D_{min} = 106.8\text{ kN}$; mô men lệch tâm tương ứng $M_{min} = 106.8 \times 0.45 = 48.06\text{ kNm}$.
  • Lực hãm ngang tiêu chuẩn của xe con (móc mềm, hệ số ma sát $f = 0.1$): $T_0 = 0.85\text{ kN}$ cho một bánh xe. Lực hãm tính toán tác dụng lên khung ngang: $T = n \cdot n_c \cdot T_1 \sum y_i = 1.85\text{ kN}$.

4. Tải trọng gió

Áp lực gió tiêu chuẩn vùng IIIB là $q_0 = 1.25\text{ kN/m}^2$. Hệ số độ cao địa hình B tăng dần từ $k = 1.038$ (tại $+12.0\text{ m}$) đến $k = 1.113$ (tại đỉnh mái $+18.1\text{ m}$). Hệ số khí động đón gió $c = +0.8$, hút gió $c_3 = -0.6$, mặt mái đón gió $c_{e1} = -0.53$.

  • Đoạn cột $H < 10\text{ m}$: Tải gió đẩy $q_d = 0.928\text{ kN/m}$, tải gió hút $q_h = 0.705\text{ kN/m}$.
  • Đoạn cột từ $10\text{ m} \div 12.4\text{ m}$: Tải gió đẩy $q_d = 1.153\text{ kN/m}$, tải gió hút $q_h = 0.846\text{ kN/m}$.
  • Phạm vi dàn và cửa mái: Quy đổi tải trọng gió thành các lực tập trung (phân tích thành phần gió đứng $W_z$ và gió ngang $W_x$) đặt tại các nút dàn từ nút 1 đến nút 7.

Phần IV & V: Phân tích và tổ hợp nội lực khung ngang

Dựa trên mô hình phần tử hữu hạn giải bằng phần mềm SAP, nội lực được trích xuất tại 4 tiết diện đặc trưng:

  • Tiết diện I-I: Đầu cột trên (liên kết với dàn mái).
  • Tiết diện II-II: Chân cột trên (ngay trên vai cột).
  • Tiết diện III-III: Đầu cột dưới (ngay dưới vai cột).
  • Tiết diện IV-IV: Chân cột dưới (ngàm tại mặt móng).

Quá trình tổ hợp nội lực tuân thủ nghiêm ngặt 2 trường hợp tổ hợp cơ bản:

  • Tổ hợp cơ bản 1: Tĩnh tải + 01 Hoạt tải (giữ nguyên hệ số tải trọng).
  • Tổ hợp cơ bản 2: Tĩnh tải + nhiều Hoạt tải đồng thời (các hoạt tải nhân với hệ số giảm tải $0.9$).

Từ bảng tổ hợp, các cặp nội lực nguy hiểm nhất được lựa chọn phục vụ thiết kế:

  • Phần cột trên: Cặp nội lực uốn nén lệch tâm nguy hiểm nhất là $M = -322.28\text{ kNm}$ đi kèm lực dọc $N = -215.4\text{ kN}$.
  • Phần cột dưới:
    • Nhánh cầu trục (Nhánh 1): $M_1 = -327.44\text{ kNm}$, lực dọc tương ứng $N_{tu1} = -591.14\text{ kN}$.
    • Nhánh mái (Nhánh 2): $M_2 = 954.55\text{ kNm}$, lực dọc tương ứng $N_{tu2} = -758.04\text{ kN}$.
    • Tiết diện chân cột (IV-IV): $M_{max} = 1044\text{ kNm}$, lực cắt thực tế lớn nhất $Q_{max} = 159.62\text{ kN}$.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp cấu tạo

1. Thiết kế tiết diện phần cột trên

Cột trên chịu nén uốn lệch tâm lớn, được thiết kế dưới dạng cột đặc tiết diện chữ H đối xứng tổ hợp từ 3 bản thép bằng các đường hàn liên kết:

  • Chiều cao tiết diện: $h_t = 400\text{ mm}$.
  • Bản bụng: Chiều dày $t_w = 8\text{ mm}$, chiều cao $h_w = 376\text{ mm}$.
  • Bản cánh: Chiều dày $t_f = 12\text{ mm}$, bề rộng $b_f = 250\text{ mm}$.
  • Diện tích tiết diện: $A = 90.08\text{ cm}^2$.

Kết quả kiểm tra ổn định và độ bền:

  • Độ mảnh trong mặt phẳng khung $\lambda_x = 42.5$, ngoài mặt phẳng khung $\lambda_y = 44.01$.
  • Độ lệch tâm tương đối $m = 3.95$. Hệ số ảnh hưởng hình dáng tiết diện $\eta$ và độ lệch tâm quy đổi $m_1$ thỏa mãn điều kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn ($\sigma \le f$).
  • Hệ số giảm uốn dọc ngoài mặt phẳng $c = 0.6698$, kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn đạt yêu cầu.
  • Điều kiện ổn định cục bộ: Bản cánh $b_0 / t_f \le [b_0 / t_f]$ và bản bụng $h_w / t_w \le [h_w / t_w]$ đều được đảm bảo hoàn toàn.

2. Thiết kế tiết diện phần cột dưới

Cột dưới là kết cấu cột rỗng 2 nhánh không đối xứng, khoảng cách giữa hai trục nhánh $h_d = 900\text{ mm}$, liên kết bằng hệ thanh giằng thép góc:

[Nhánh cầu trục: Chữ I tổ hợp] <--- Thanh giằng (L70x7 / L50x5) ---> [Nhánh mái: Chữ C tổ hợp]
Cấu kiện / Bộ phận Cấu tạo hình học chi tiết Đặc trưng tiết diện Kiểm tra chịu lực & Ổn định
Nhánh 1 (Nhánh cầu trục) Chữ I tổ hợp hàn 3 tấm: Bản bụng $8 \times 354\text{ mm}$, bản cánh $8 \times 150\text{ mm}$ $A_1 = 52.32\text{ cm}^2$
$i_{y1} = 3.22\text{ cm}$		 Lực nén tính toán $N_1 = 591.14\text{ kN}$. Độ mảnh $\lambda_{y1} \le [\lambda]$, thỏa mãn ổn định ngoài mặt phẳng.
Nhánh 2 (Nhánh mái) Chữ C tổ hợp: Bản lưng $20 \times 350\text{ mm}$ ghép 2 thép góc đều cạnh $L90 \times 8$ $A_2 = 97.02\text{ cm}^2$
$i_{y2} = 8.12\text{ cm}$		 Lực nén tính toán $N_2 = 758.04\text{ kN}$. Đảm bảo ổn định nhánh độc lập.
Toàn bộ cột dưới Tổng diện tích $F_d = 149.34\text{ cm}^2$, mô men quán tính $J_x = 264879\text{ cm}^4$ Độ cứng thực tế sai số $< 30%$ so với giả thiết $J_d = 8J_t$ Thỏa mãn ổn định tổng thể cột rỗng chịu nén uốn trong mặt phẳng khung.
Hệ thanh bụng Thanh xiên: Thép góc $L70 \times 7$
Thanh ngang: Thép góc $L50 \times 5$
Bước giằng: $1.0\text{ m}$		 Chiều dài thanh xiên $l = 134.5\text{ cm}$, $\lambda = 98.2$ Chịu lực cắt thực tế $Q = 159.62\text{ kN}$. Lực nén thanh xiên $N_{tx} = 114.39\text{ kN} \le \varphi A f$.

3. Thiết kế chi tiết cấu tạo liên kết

Chi tiết dầm vai cột

Dầm vai đóng vai trò gối đỡ dầm cầu chạy và chuyển tiếp lực từ cánh trong cột trên xuống hai nhánh cột dưới:

  • Chiều cao bản bụng dầm vai chọn $h_{bb} = 500\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện độ cứng $h_{bb} \ge 0.5 h_d = 450\text{ mm}$).
  • Chiều dày bản bụng dầm vai: $b_b = 6\text{ mm}$.
  • Bản nối K liên kết cánh trong cột trên với dầm vai có cùng tiết diện cánh cột trên.
  • Đường hàn góc liên kết bản bụng dầm vai vào bản lưng nhánh mái và bản bụng nhánh cầu trục sử dụng chiều cao đường hàn cấu tạo $h_h = 4\text{ mm} \div 6\text{ mm}$, đảm bảo khả năng chịu lực cắt và mô men uốn cục bộ.

Chi tiết chân cột phân cách

Do chân cột chịu mô men uốn rất lớn ($M_{max} = 1044\text{ kNm}$), đồ án áp dụng giải pháp chân cột phân cách, tách riêng bản đế cho từng nhánh:

  • Bản đế nhánh mái: Kích thước $350 \times 450\text{ mm}$, diện tích $F = 1575\text{ cm}^2$.
  • Ứng suất nén thực tế truyền lên móng bê tông: $\sigma = 0.68\text{ kN/cm}^2 \le R_{nencb} = 1.02\text{ kN/cm}^2$ (bê tông móng B15).
  • Cấu tạo dầm đế và sườn gia cường chia bản đế thành 2 ô bản: Ô bản loại 1 (dạng công xôn vươn $30\text{ mm}$) và Ô bản loại 2 (dạng bản kê 3 cạnh kích thước $180 \times 195\text{ mm}$). Cả hai ô bản đều được tính toán kiểm tra chịu uốn an toàn.
  • Đường hàn liên kết thanh giằng: Sử dụng que hàn N42, chiều cao đường hàn sống $h_s = 8\text{ mm}$ (chiều dài $l_{hs} = 12\text{ cm}$), đường hàn mép $h_m = 6\text{ mm}$ (chiều dài $l_{hm} = 8\text{ cm}$).

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật chính

  1. Hoàn thành việc xác định toàn bộ thông số hình học của khung ngang nhà công nghiệp một tầng nhịp $24\text{ m}$, giải quyết triệt để bài toán khe hở an toàn cầu trục $D = 220\text{ mm} > 70\text{ mm}$.
  2. Dồn tải chính xác và tổng hợp đầy đủ các tác động tải trọng: Tĩnh tải mái ($453\text{ daN/m}^2$), hoạt tải sửa chữa mái ($1.98\text{ kN/m}^2$), hoạt tải cầu trục ($D_{max} = 366.8\text{ kN}, T = 1.85\text{ kN}$), và tải trọng gió vùng IIIB theo TCVN 2737:1995.
  3. Thiết lập mô hình giải tích FEM trên SAP, kiểm soát độ võng và phân tích nội lực tại 4 mặt cắt xung yếu, lập bảng tổ hợp tải trọng cơ bản 1 và cơ bản 2.
  4. Lựa chọn và kiểm nghiệm an toàn toàn bộ tiết diện: Cột trên đặc chữ H ($h_t = 400\text{ mm}$), cột dưới rỗng 2 nhánh ($h_d = 900\text{ mm}$, nhánh cầu trục chữ I tổ hợp, nhánh mái chữ C tổ hợp), dầm vai ($h_{bb} = 500\text{ mm}$) và bản đế chân cột ($350 \times 450\text{ mm}$).

Đóng góp thực tiễn của đồ án

Đồ án đã cung cấp một quy trình tính toán mẫu mực, chuẩn hóa theo trình tự logic từ xác định kích thước, truyền tải, mô hình hóa phần mềm kết cấu đến kiểm tra cấu kiện thép phức tạp (cột rỗng 2 nhánh không đối xứng). Bài làm minh chứng rõ nét cho việc kết hợp hiệu quả giữa công cụ tính toán hiện đại (SAP) với các công thức giải tích cổ điển trong việc thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế trong văn bản: Đồ án tập trung giải quyết bài toán phẳng cho một khung ngang chịu lực điển hình, chưa xét đến sự làm việc không gian tổng thể của toàn bộ khối nhà xưởng. Phần liên kết chân cột mới dừng lại ở tính toán bản đế nhánh mái chịu nén lớn, chưa đi sâu vào tính toán chi tiết bu lông neo chịu nhổ cho nhánh cầu trục khi chịu kéo lớn nhất.
  • Hướng mở rộng: Mở rộng mô hình tính toán sang không gian 3D để đánh giá chính xác hơn độ cứng không gian của hệ giằng; tối ưu hóa trọng lượng thép của khung thông qua việc thay đổi bước khung hoặc áp dụng thép cường độ cao; bổ sung thiết kế chi tiết xà gồ, dàn vì kèo và móng bê tông cốt thép dưới chân cột.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng (Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp) trong quá trình thực hiện Đồ án môn học Kết cấu thép 2 (Kết cấu thép nhà công nghiệp) và Đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu tham khảo quy trình phân tích lực lệch tâm, phương pháp khai báo mô hình cột bậc trên phần mềm SAP, cũng như phương pháp tính toán kiểm tra ổn định của cột rỗng hai nhánh không đối xứng liên kết thanh giằng.
  • Phần nội dung đáng tham khảo nhất là phương pháp dồn tải trọng gió nút dàn mái và quy trình thiết kế cấu tạo dầm vai chịu tải trọng động của cầu trục $15\text{ T}$.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình được thiết kế với nhịp nhà, sức trục và tại địa điểm nào?

Công trình là nhà công nghiệp một tầng có nhịp $L = 24\text{ m}$, chiều dài xưởng $66\text{ m}$, bước khung $B = 6\text{ m}$, trang bị 2 cầu trục sức nâng $Q = 15\text{ T}$ chế độ làm việc trung bình với cao trình đỉnh ray $H_r = 7.4\text{ m}$. Vị trí xây dựng tại huyện Cẩm Bình, tỉnh Hải Hưng, thuộc vùng áp lực gió IIIB ($q_0 = 1.25\text{ kN/m}^2$), địa hình B trống trải.

2. Tiết diện cột trên và cột dưới được chọn với cấu tạo như thế nào?

Cột trên là cột đặc tiết diện chữ H tổ hợp từ 3 tấm thép hàn ($h_t = 400\text{ mm}$, bản bụng $8 \times 376\text{ mm}$, bản cánh $12 \times 250\text{ mm}$). Cột dưới là cột rỗng 2 nhánh cách nhau $h_d = 900\text{ mm}$: Nhánh cầu trục có tiết diện chữ I tổ hợp hàn ($8 \times 354\text{ mm}$, cánh $8 \times 150\text{ mm}$); Nhánh mái có tiết diện chữ C tổ hợp gồm bản lưng $20 \times 350\text{ mm}$ ghép với 2 thép góc đều cạnh $L90 \times 8$. Hai nhánh liên kết bằng thanh giằng xiên $L70 \times 7$ và thanh ngang $L50 \times 5$.

3. Các thông số tải trọng cầu trục chính được tính toán ra sao?

Cầu trục $15\text{ T}$ có ray KP70, trọng lượng xe con $8.4\text{ T}$, trọng lượng toàn bộ $34\text{ T}$, áp lực bánh xe tiêu chuẩn $P_{max} = 190\text{ kN}, P_{min} = 55\text{ kN}$. Qua đường ảnh hưởng của 2 cầu trục, áp lực đứng tính toán lớn nhất lên vai cột là $D_{max} = 366.8\text{ kN}$ ($M_{max} = 366.06\text{ kNm}$), nhỏ nhất là $D_{min} = 106.8\text{ kN}$, và lực hãm ngang xe con truyền lên cột là $T = 1.85\text{ kN}$.

4. Khi mô hình hóa khung ngang trên phần mềm SAP, tác giả đã xử lý liên kết và độ cứng như thế nào?

Để mô hình trên SAP, tác giả đã quy tim cột dưới về cùng tim cột trên, đồng thời chuyển toàn bộ các lực lệch tâm từ mái và dầm cầu trục thành một lực dọc thẳng đứng kết hợp với mô men uốn tập trung đặt tại đỉnh cột dưới. Về mặt độ cứng, tác giả giả thiết sơ bộ độ cứng cột dưới gấp 8 lần cột trên ($J_d = 8J_t$) để khai báo phân tích nội lực ban đầu.

5. Chi tiết dầm vai và bản đế chân cột được thiết kế với kích thước cụ thể nào?

Dầm vai có chiều cao bản bụng $h_{bb} = 500\text{ mm}$, chiều dày $b_b = 6\text{ mm}$, sử dụng bản nối K để truyền lực từ cánh trong cột trên xuống. Chân cột thiết kế dạng phân cách; bản đế nhánh mái có kích thước $350 \times 450\text{ mm}$ đặt trên móng bê tông B15 ($R_{nencb} = 1.02\text{ kN/cm}^2$), được gia cường bằng các dầm đế và sườn ngăn để phân chia thành các ô bản công xôn ($30\text{ mm}$) và ô bản kê 3 cạnh ($180 \times 195\text{ mm}$).

Kết luận

Đồ án "Nhà công nghiệp một tầng" của sinh viên Trần Nhã Thanh là một công trình học thuật - thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, thể hiện đầy đủ các bước tính toán kết cấu thép cho nhà xưởng nhịp lớn $24\text{ m}$ có cầu trục $15\text{ T}$. Tác giả đã xử lý chặt chẽ bài toán xác định tải trọng theo TCVN 2737:1995, ứng dụng thành công phương pháp phần tử hữu hạn trên SAP để tổ hợp nội lực và kiểm tra an toàn cấu kiện theo các giáo trình kết cấu thép chuyên sâu. Các kết quả tính toán chi tiết từ thân cột đặc, cột rỗng hai nhánh đến dầm vai và bản đế chân cột đều đạt độ chính xác kỹ thuật cao, đáp ứng đầy đủ yêu cầu chịu lực và ổn định công trình.