Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án "Thiết kế Kết cấu thép nhà công nghiệp" do sinh viên Kha Quốc Sương (MSSV: B1306738) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Cao Tấn Ngọc Thân, giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một công trình nhà xưởng công nghiệp một tầng chịu tải trọng nặng và hoạt động của cầu trục. Mã đề phân công thực hiện là S1H2L3Q3.

Bối cảnh thực tiễn của đồ án đặt tại Thành phố Cần Thơ, khu vực có đặc trưng khí tượng thuộc phân vùng áp lực gió II-A theo bản đồ phân vùng gió Việt Nam. Đồ án tập trung vào việc thiết kế hệ kết cấu khung ngang bằng thép hình tổ hợp nhằm đảm bảo khả năng chịu lực, độ cứng không gian và tính kinh tế trong gia công, lắp dựng.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu, tính toán được xác lập cụ thể như sau:

  1. Xác định các thông số hình học và kích thước chính của khung ngang dựa trên nhịp nhà và yêu cầu vận hành của cầu trục sức nâng $Q = 8\text{ tấn}$.
  2. Thiết kế hệ giằng không gian (giằng mái, giằng cột, giằng cửa trời) nhằm bảo đảm tính ổn định ngoài mặt phẳng cho khung và an toàn lắp dựng.
  3. Tính toán và kiểm tra độ bền, độ võng của các cấu kiện kết cấu bao che gồm tấm lợp tole sóng, hệ xà gồ mái và hệ sườn tường chịu lực gió.
  4. Xác định đầy đủ các tải trọng tác dụng lên hệ khung ngang (tĩnh tải, hoạt tải sửa chữa mái, hoạt tải đứng của cầu trục $D_{\max}/D_{\min}$, lực hãm ngang xe con $T$, tải trọng gió đẩy và gió hút).
  5. Phân tích nội lực khung ngang, lập bảng tổ hợp tải trọng (tổ hợp cơ bản 1 và cơ bản 2) nhằm tìm ra các giá trị nội lực nguy hiểm nhất ($M_{\max}, M_{\min}, N_{\max}, Q_{\max}$).
  6. Thiết kế và kiểm tra tiết diện cột khung, xà ngang và khung cửa trời thỏa mãn các điều kiện về cường độ và ổn định tổng thể.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ kết cấu thép chịu lực của nhà xưởng công nghiệp một tầng, một nhịp có bố trí cầu trục và cửa thông gió (cửa trời).
  • Phạm vi không gian: Công trình nhà xưởng gồm 17 bước cột, nhịp khung ngang $L = 27\text{ m}$, bước khung $B = 6\text{ m}$, cao trình đỉnh ray $H_r = 10\text{ m}$, độ dốc mái $i = 12%$.
  • Phạm vi kỹ thuật: Tính toán cấu kiện kết cấu từ thép mác CCT34s, liên kết hàn tay que hàn N42, áp dụng tiêu chuẩn tải trọng và tác động hiện hành tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Khung tiêu chuẩn và tài liệu tham khảo

Quá trình tính toán, phân tích tải trọng và thiết kế tiết diện trong đồ án tuân thủ các quy chuẩn, tiêu chuẩn xây dựng và tài liệu kỹ thuật chuyên ngành:

  • Tiêu chuẩn tải trọng và tác động: TCVN 2737-1995 và TCVN 2737:2005 (xác định hoạt tải sửa chữa mái tôn, áp lực gió tiêu chuẩn vùng II-A, hệ số khí động và hệ số độ cao).
  • Tài liệu tra cứu chuyên môn: "Sổ tay kết cấu" của PGS. Vũ Mạnh Hùng (dùng để nội suy hệ số khí động $c_{e1}, c_{e3}$ và hệ số địa hình $k$ dạng A).
  • Catalo thiết bị nâng: Bảng thông số kỹ thuật chế tạo tiêu chuẩn của cầu trục sức nâng $Q = 8\text{ tấn}$.
  • Tiêu chuẩn vật liệu và cơ học kết cấu: Mác thép kết cấu CCT34s có cường độ tính toán chịu kéo, nén, uốn $f = 2100\text{ kG/cm}^2$, que hàn điện N42; phương pháp trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực (độ bền, ổn định) và điều kiện sử dụng bình thường (độ võng, chuyển vị).

Phương pháp tính toán và xử lý số liệu

Đồ án kết hợp các phương pháp giải tích cơ học kết cấu và thiết kế kỹ thuật công trình:

  • Phương pháp đường ảnh hưởng: Xây dựng đường ảnh hưởng phản lực tựa của dầm cầu trục khi xếp bánh xe của hai cầu trục hoạt động sát nhau ở vị trí bất lợi nhất để tìm áp lực đứng lớn nhất $D_{\max}$ và nhỏ nhất $D_{\min}$ truyền vào vai cột.
  • Phương pháp cơ học kết cấu tĩnh định và siêu tĩnh: Mô hình hóa tấm tole mái, dầm xà gồ và dầm sườn tường thành các sơ đồ dầm đơn giản/dầm liên tục chịu uốn phẳng và uốn xiên; mô hình hóa khung ngang nhà xưởng thành hệ khung phẳng siêu tĩnh chịu tác động đồng thời của tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang.
  • Phương pháp tổ hợp nội lực: Thiết lập ma trận tổ hợp tải trọng từ COMB1 đến COMB74, phân tách các trường hợp tĩnh tải (TT), hoạt tải nửa mái (HT1, HT2), hoạt tải cả mái (HT3), hoạt tải đứng cầu trục (HT4, HT5), lực hãm ngang cầu trục (HT6 đến HT9), gió trái (GT) và gió phải (GP).
  • Nguồn dữ liệu thực tế: Toàn bộ số liệu hình học, tải trọng gió, thông số cầu trục và quy cách hình học thép dập nguội (Z, C) được trích xuất trực tiếp từ nhiệm vụ đề bài S1H2L3Q3 và các bảng tra quy chuẩn kỹ thuật.

Thiết kế và triển khai hệ kết cấu

Hệ thống kết cấu chịu lực của nhà xưởng được triển khai theo giải pháp khung thép tiền chế tiết diện đặc tổ hợp hàn, kết hợp hệ kết cấu bao che thứ cấp và hệ giằng không gian:

Hạng mục kết cấu Quy cách và giải pháp thiết kế Thông số hình học chính
Vật liệu cơ bản Thép cán CCT34s, que hàn N42 Cường độ $f = 2100\text{ kG/cm}^2$, $E = 2.1 \times 10^6\text{ daN/cm}^2$
Cột khung ngang Thép I tổ hợp chữ I đối xứng, tiết diện không đổi Chiều cao $h = 650\text{ mm}$, rộng cánh $b_f = 250\text{ mm}$, $t_w = 10\text{ mm}$, $t_f = 12\text{ mm}$
Xà ngang mái Thép I tổ hợp, tiết diện thay đổi và không đổi Đoạn đầu xà $h = 650\text{ mm}$, giảm dần về $h = 350\text{ mm}$ ($t_f = 10\text{ mm}, b_f = 250\text{ mm}$); đoạn giữa nhịp $7\text{ m}$ giữ $h = 300\text{ mm}$
Khung cửa trời Thép hình I20 Cột và xà cửa trời $h = 200\text{ mm}$, $b = 200\text{ mm}$, $t_w = 10\text{ mm}, t_f = 10\text{ mm}$
Hệ giằng mái Giằng chéo chữ thập cánh trên Thép tròn đặc $\phi 20$ (bố trí tại đầu hồi và cách nhau $\le 5$ bước cột)
Hệ giằng cột Giằng chéo chữ thập và thanh chống dọc Thanh chéo L90x90x8, thanh chống dọc thép hình chữ I
Tấm lợp mái Tole sóng công nghiệp Chiều dày $\delta = 0.4\text{ mm}$, khối lượng riêng $\gamma = 7850\text{ daN/m}^3$
Hệ xà gồ mái Thép dập nguội hình chữ Z Quy cách Z200, $W_x = 55.4\text{ cm}^3$, $I_x = 570\text{ cm}^4$, $I_y = 110\text{ cm}^4$
Hệ sườn tường Thép dập nguội hình chữ C Quy cách 6CS4x105 ($D=150\text{ mm}, B=102\text{ mm}, t=2.7\text{ mm}$), bước $a = 1.0\text{ m}$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Số liệu tính toán

Chương 1 thiết lập toàn bộ các thông số đề bài và điều kiện biên kỹ thuật của công trình:

  • Mã đề tính toán: S1H2L3Q3.
  • Kích thước hình học cơ bản: Nhịp khung ngang $L = 27\text{ m}$, bước cột $B = 6\text{ m}$, chiều dài toàn bộ nhà gồm 17 bước cột ($102\text{ m}$), độ dốc mái tôn $i = 12%$.
  • Thông số cầu trục: Cầu trục chạy điện sức nâng $Q = 8\text{ tấn}$, cao trình đỉnh ray $H_r = 10\text{ m}$.
  • Điều kiện khí tượng và địa chất công trình: Địa điểm xây dựng tại Thành phố Cần Thơ, phân vùng áp lực gió II-A với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 83\text{ daN/m}^2$ ($0.83\text{ kN/m}^2$).
  • Tiêu chuẩn vật liệu: Mác thép CCT34s ($f = 2100\text{ kG/cm}^2$), công nghệ liên kết hàn tay sử dụng que hàn N42.

Chương 2: Xác định các kích thước chính của khung ngang

Chương 2 thực hiện tính toán kích thước hình học không gian của khung ngang dựa vào việc tra thông số catalo cầu trục $Q = 8\text{ T}$:

  • Thông số cầu trục: Nhịp cầu trục $L_k = 25.5\text{ m}$; chiều cao gabarit $H_k = 960\text{ mm}$; khoảng cách an toàn tối thiểu $Z_{\min} = 180\text{ mm}$; bề rộng gabarit $B_k = 4500\text{ mm}$; bề rộng đáy $K_k = 3800\text{ mm}$; trọng lượng toàn bộ cầu trục $G = 13\text{ tấn}$; trọng lượng xe con $G_{xc} = 0.605\text{ tấn}$.
  • Kích thước theo phương đứng:
    • Chiều cao từ mặt ray đến đáy xà ngang: $H_2 = H_k + b_k = 0.96 + 0.2 = 1.16\text{ m}$ (với khe hở an toàn $b_k = 0.2\text{ m}$).
    • Chiều cao cột khung từ mặt móng đến đáy xà ngang: $H = H_1 + H_2 + H_3 = 10 + 1.16 + 0.2 = 11.36\text{ m}$ (với $H_1 = 10\text{ m}$ là cao trình đỉnh ray, $H_3 = 0.2\text{ m}$ là phần chôn dưới nền).
    • Chiều cao dầm cầu trục sơ bộ: $H_{dct} = (1/8 \div 1/10)B = (1/8 \div 1/10) \times 6 = 0.6 \div 0.75\text{ m}$, chọn sơ bộ $H_{dct} = 0.65\text{ m}$; chiều cao ray và đệm $H_r = 0.15\text{ m}$.
    • Chiều cao phần cột trên: $H_t = H_2 + H_{dct} + H_r = 1.16 + 0.65 + 0.15 = 1.96\text{ m}$.
    • Chiều cao phần cột dưới: $H_d = H - H_t = 11.36 - 1.96 = 9.4\text{ m}$.
  • Kích thước theo phương ngang:
    • Thiết lập trục định vị trùng mép ngoài cột ($a = 0$).
    • Khoảng cách từ trục định vị đến trục ray: $L_1 = (L - L_k)/2 = (27 - 25.5)/2 = 0.75\text{ m}$.
    • Chiều cao tiết diện cột: Chọn $h = 0.65\text{ m} = 650\text{ mm}$.
    • Khe hở thực tế giữa cầu trục và cột: $z = L_1 - h = 0.75 - 0.65 = 0.1\text{ m} = 100\text{ mm}$.

Chương 3: Thiết kế hệ giằng

Chương 3 trình bày giải pháp cấu tạo và bố trí hệ thống thanh giằng không gian cho toàn bộ công trình 17 bước cột:

  • Vai trò hệ giằng: Đảm bảo độ cứng không gian dọc và ngang nhà, giảm chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng cho xà và cột khung, tăng độ ổn định tổng thể, truyền tải trọng gió tường đầu hồi và lực hãm cầu trục xuống móng, giữ an toàn khi thi công dựng lắp.
  • Hệ giằng mái: Bố trí trong mặt phẳng cánh trên của xà ngang tại hai khối đầu hồi và ở giữa nhà (đảm bảo khoảng cách không quá 5 bước cột). Cấu tạo từ các thanh giằng chéo chữ thập bằng thép tròn đặc đường kính $\phi 20$ (đáp ứng điều kiện đường kính không nhỏ hơn $12\text{ mm}$). Bố trí đồng bộ hệ giằng cho khung cửa trời.
  • Hệ giằng cột: Bố trí tại các gian có giằng mái. Do nhà có cầu trục, hệ giằng cột sử dụng các thanh giằng chéo chữ thập bằng thép góc L90x90x8 và thanh chống dọc bằng thép chữ I để tiếp nhận lực hãm dọc của cầu trục và tải trọng gió đầu hồi.

Chương 4: Thiết kế tấm lợp tole

Chương 4 thực hiện tính toán tấm tole sóng bao che mái theo sơ đồ dầm liên tục/dầm đơn giản chịu uốn, bề rộng dải bản tính toán $B = 100\text{ cm} = 1.0\text{ m}$:

  • Xác định tải trọng:
    • Tải trọng gió: Áp lực tiêu chuẩn $W_0 = 83\text{ daN/m}^2$, hệ số độ cao địa hình A ($z = 14.213\text{ m}$, $k = 1.1956$), hệ số khí động nội suy từ Sổ tay kết cấu ($c_{e1} = -0.5, c_{e3} = -0.8$), hệ số vượt tải $n = 1.2$.
    • Tải trọng bản thân tấm tole: Chiều dày chọn $\delta = 0.4\text{ mm}$, khối lượng riêng $\gamma = 7850\text{ daN/m}^3$, hệ số vượt tải kể đến phần dập sóng $n_g = 1.2$.
    • Hoạt tải sửa chữa tiêu chuẩn: $p_c = 30\text{ kg/m}^2$, hệ số vượt tải $n_p = 1.3$.
  • Tổ hợp tải trọng: Tổ hợp 1 (Tĩnh tải + Hoạt tải) và Tổ hợp 2 (Tĩnh tải + Gió hút). Kết quả cho thấy Tổ hợp 2 có trị tuyệt đối lớn nhất và nguy hiểm nhất cho mái dốc $i = 12% \le 20%$.
  • Kiểm tra tiết diện:
    • Mômen kháng uốn tính toán: $W_x$ và mômen quán tính $I_x$ của tole sóng được xác định từ các đặc trưng hình học sóng tôn.
    • Kiểm tra độ bền: Ứng suất uốn lớn nhất $\sigma_{\max} < f \cdot \gamma_c = 2100\text{ daN/cm}^2$ (với hệ số điều kiện làm việc $\gamma_c = 1$).
    • Kiểm tra độ võng: Độ võng đàn hồi $f \le [f] = L/200$, với môđun đàn hồi thép $E = 2.1 \times 10^6\text{ daN/cm}^2$.
  • Nhận xét kỹ thuật: Chiều dày tole $0.4\text{ mm}$ tại nhịp xà gồ $1.511\text{ m}$ hoàn toàn thỏa mãn các điều kiện chịu lực và độ võng, đồng thời đáp ứng yêu cầu chống gỉ thực tế.

Chương 5: Thiết kế hệ xà gồ

Chương 5 lựa chọn và tính toán cấu kiện xà gồ đỡ mái chịu uốn xiên:

  • Chọn loại tiết diện: Với bước khung $B = 6\text{ m}$, chọn xà gồ dập nguội tiết diện chữ Z mã hiệu Z200 với các đặc trưng hình học tiết diện nguyên: $W_x = 55.4\text{ cm}^3$, $I_x = 570\text{ cm}^4$, $I_y = 110\text{ cm}^4$.
  • Ưu điểm của xà gồ Z: Tiết diện có hai trục đối xứng nên tâm xoắn trùng với trọng tâm tiết diện, lực truyền từ tôn đi qua tâm xoắn không phát sinh thêm mômen xoắn ngoài các mômen uốn $M_x, M_y$; thuận tiện chập đôi tại vị trí gối tựa để tạo thành dầm liên tục có khả năng chịu mômen gối gấp đôi. Đồ án tính toán theo sơ đồ dầm đơn giản gối tựa hai đầu để thiên về an toàn.
  • Bố trí xà gồ: Mái cửa trời bố trí 6 thanh xà gồ; mái nhà chính bố trí 14 thanh xà gồ. Tổng số lượng xà gồ trên một mặt cắt ngang toàn nhà là 20 thanh với khoảng cách bố trí trung bình $1.5\text{ m}$.
  • Kiểm tra khả năng chịu lực: Tiết diện Z200 thỏa mãn hoàn toàn điều kiện bền ứng suất uốn xiên $\sigma \le f \cdot \gamma_c$ và điều kiện độ võng tổng hợp $f = \sqrt{f_x^2 + f_y^2} \le [f] = L/200$.

Chương 6: Thiết kế hệ sườn tường

Chương 6 tính toán hệ dầm sườn tường chịu lực gió và đỡ vách tole bao che tường:

  • Quy cách dầm sườn tường: Chọn thép dập nguội chữ C mã hiệu 6CS4x105 bố trí cách nhau $a = 1.0\text{ m}$. Thông số hình học: $D = 150\text{ mm}, B = 102\text{ mm}, t = 2.7\text{ mm}, d = 22.5\text{ mm}, I_x = 401.25\text{ cm}^4, I_y = 141.52\text{ cm}^4, x_0 = 3.68\text{ cm}$, trọng lượng bản thân $7.87\text{ kg/m}$.
  • Tải trọng tác dụng:
    • Phương ngang $x$: Chịu hoạt tải gió với áp lực $W_0 = 83\text{ daN/m}^2$, hệ số $c_e = +0.8$, hệ số độ cao $k = 1.1956$ (tại cao trình $11.3\text{ m}$).
    • Phương đứng $y$: Tĩnh tải trọng lượng tấm vách tole và trọng lượng bản thân dầm sườn tường.
  • Kiểm tra bền và võng:
    • Ứng suất uốn tổng hợp: $\sigma \le [\sigma] = 1995\text{ daN/cm}^2$, kết cấu bảo đảm điều kiện bền.
    • Độ võng tổng hợp: $f = \sqrt{f_x^2 + f_y^2} \le [f] = L/200$, bảo đảm điều kiện độ cứng.
  • Cột sườn tường: Do dầm sườn tường vượt được nhịp $B = 6\text{ m}$ và thỏa mãn toàn bộ các điều kiện cường độ, độ võng nên không cần bố trí thêm cột sườn tường phụ.

Chương 7: Tải trọng tác dụng lên khung ngang

Chương 7 tính toán và quy đổi toàn bộ các loại tải trọng tác dụng lên sơ đồ tính toán của khung ngang:

  • Sơ bộ tiết diện khung: Cột đặc $h = 650\text{ mm}, b_f = 250\text{ mm}, t_w = 10\text{ mm}, t_f = 12\text{ mm}$; xà ngang tiết diện thay đổi từ $h = 650\text{ mm}$ tại nách về $h = 350\text{ mm}$, đoạn giữa $7\text{ m}$ cao $h = 300\text{ mm}$; khung cửa trời dùng thép hình I20.
  • Tĩnh tải (TT): Trọng lượng xà ngang và giằng mái ($1.0\text{ kN/m}$), tĩnh tải tôn lợp và xà gồ phân bố trên đoạn mái $6\text{ m}$ và đoạn không có tôn $3\text{ m}$; trọng lượng cột - xà cửa trời ($0.21\text{ kN/m}$); tĩnh tải tôn tường và xà gồ tường quy về đầu cột ($0.15\text{ kN/m}$); trọng lượng bản thân dầm cầu trục sơ bộ $1.0\text{ kN/m}$ quy thành lực tập trung $P_3$ và mômen lệch tâm tại cao trình vai cột.
  • Hoạt tải mái: Hoạt tải sửa chữa $0.3\text{ kN/m}^2$ (TCVN 2737:2005) nhân hệ số vượt tải $1.3$, phân bố đều lên xà ngang.
  • Hoạt tải cầu trục:
    • Áp lực đứng $D_{\max}, D_{\min}$: Dùng đường ảnh hưởng phản lực gối tựa của dầm với 2 cầu trục sát nhau; áp dụng hệ số tổ hợp 0.9, hệ số vượt tải 1.2. Độ lệch tâm so với trục cột $e = L_1 - 0.5h = 0.75 - 0.5 \times 0.65 = 0.425\text{ m}$, phát sinh mômen lệch tâm $M_{\max} = D_{\max} \cdot e$.
    • Lực hãm ngang $T$: Do xe con hãm, trọng lượng xe con $G_{xc} = 0.605\text{ T}$, hệ số ma sát móc mềm $k_f = 0.1$, số bánh xe một bên $n_0 = 2$, hệ số tổ hợp $n_c = 0.85$, hệ số vượt tải $1.1$. Lực $T$ tác dụng ngang tại cao trình đỉnh ray ($10\text{ m}$).
  • Tải trọng gió: Gió thổi vào cột đón gió ($q = k \cdot c \cdot W_0 \cdot B \cdot n$) và cột khuất gió; gió tác dụng lên mái đón/khuất gió; gió tác dụng lên hệ cột và mái của cửa trời tại các cao độ tương ứng ($11.36\text{ m}, 12.5\text{ m}, 14.2\text{ m}$).

Chương 8: Xác định nội lực

Chương 8 thiết lập bài toán cơ học khung phẳng để giải nội lực và lập biểu đồ bao:

  • Các trường hợp tải trọng cơ bản: Phân tích 12 trường hợp tải riêng biệt gồm TT, HT1 (nửa mái trái), HT2 (nửa mái phải), HT3 (cả mái), HT4 ($D_{\max}$ trái), HT5 ($D_{\max}$ phải), HT6 ($T$ trái ra), HT7 ($T$ trái vào), HT8 ($T$ phải ra), HT9 ($T$ phải vào), GT (gió trái), GP (gió phải).
  • Tổ hợp tải trọng: Lập bảng tổ hợp với 74 trường hợp kết hợp (từ COMB1 đến COMB74). Các tổ hợp chính gồm:
    • COMB1 đến COMB5: Tĩnh tải kết hợp từng trường hợp hoạt tải sửa chữa mái.
    • COMB6, COMB7: Tĩnh tải kết hợp gió trái (GT) hoặc gió phải (GP).
    • COMB8, COMB16, COMB38, COMB58, COMB73, COMB74: Tĩnh tải kết hợp với nhiều hoạt tải đồng thời nhân hệ số giảm tải $0.9$.
  • Xuất biểu đồ nội lực và biểu đồ bao: Vẽ biểu đồ lực dọc $N$, lực cắt $Q$, mômen uốn $M$ cho từng trường hợp và xây dựng biểu đồ bao nội lực toàn khung.
  • Bảng trích xuất cặp nội lực nguy hiểm tại các tiết diện đặc trưng:
Cấu kiện Vị trí tiết diện $M_{\max}$ (kNm) $N_{\text{tư}}$ (kN) $Q_{\text{tư}}$ (kN) $N_{\max}$ (kN) $M_{\text{tư}}$ (kNm) $Q_{\text{tư}}$ (kN) Tổ hợp nguy hiểm
Cột khung Chân cột 317.15 -9.98 69.50 -205.81 -221.70 -51.56 COMB6 / COMB38 / COMB73
Cột khung Dưới vai cột 247.56 - - - - - COMB38 / COMB6
Cột khung Đầu cột 219.34 - - - - - COMB3 / COMB25
Xà thay đổi tiết diện Đầu xà (nách khung) 314.34 - - - - - COMB3 / COMB6
Xà thay đổi tiết diện Cuối đoạn vát 103.04 8.41 - - - - COMB6 / COMB3 / COMB31
Xà không đổi tiết diện Giữa xà 39.70 - -0.34 - - - COMB41 / COMB71 / COMB61
Xà không đổi tiết diện Đỉnh nóc 79.32 -42.93 - - - - COMB3 / COMB6 / COMB61
Khung cửa trời Chân cột cửa trời 0 7.11 - - - - COMB6 / COMB3
Khung cửa trời Đầu cột cửa trời 8.11 - - - - - COMB3 / COMB6
Khung cửa trời Xà cửa trời 11.25 - - 8.49 - - COMB6 / COMB3

Chương 9: Thiết kế tiết diện cấu kiện

Chương 9 tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực thực tế của tiết diện cột khung đã chọn:

  • Xác định chiều dài tính toán của cột:
    • Cột chọn phương án tiết diện chữ I không đổi.
    • Tỉ số độ cứng đơn vị giữa xà và cột được giả thiết tương đương để xác định hệ số chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung $\mu_x$, từ đó tính chiều dài tính toán trong mặt phẳng $l_{0x} = \mu_x \cdot H$.
    • Chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng $l_y = l_{0y}$ lấy bằng khoảng cách giữa các điểm cố định không cho cột chuyển vị dọc nhà (thông qua hệ giằng dọc thép hình chữ C tại cao trình $+4.0\text{ m}$).
  • Kiểm tra tiết diện chân cột:
    • Chọn các cặp nội lực nguy hiểm nhất tại chân cột từ Chương 8:
      • Trường hợp 1 (COMB6): $M_{\max} = 31715\text{ kg.m} = 317.15\text{ kNm}$, $N_{\text{tư}} = -998\text{ kg}$, $Q_{\text{tư}} = 6950\text{ kg}$.
      • Trường hợp 2 (COMB38): $N_{\max} = -20581\text{ kg}$, $M_{\text{tư}} = -22170\text{ kg.m}$, $Q_{\text{tư}} = -5156\text{ kg}$.
      • Trường hợp 3 (COMB73): $M_{\min}$.
    • Tiến hành kiểm tra độ bền chịu nén uốn đồng thời và kiểm tra ổn định tổng thể của cột trong và ngoài mặt phẳng tác dụng lực theo các công thức quy phạm của kết cấu thép.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật chính

Đồ án đã giải quyết toàn diện bài toán thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp với các thông số định lượng cụ thể:

  1. Xác lập kích thước hình học chuẩn xác cho khung ngang nhịp $27\text{ m}$, bảo đảm khoảng hở an toàn cầu trục $z = 100\text{ mm} \ge Z_{\min} = 180\text{ mm}$ theo tiêu chuẩn catalo $Q = 8\text{ T}$.
  2. Thiết kế hoàn chỉnh hệ kết cấu bao che thứ cấp: Tole mái $\delta = 0.4\text{ mm}$, xà gồ chữ Z dập nguội Z200 ($W_x = 55.4\text{ cm}^3$), dầm sườn tường chữ C mã hiệu 6CS4x105 bảo đảm độ bền và độ võng dưới tải trọng gió vùng II-A mà không cần bổ sung cột sườn tường phụ.
  3. Bố trí không gian hệ giằng thép tròn đặc $\phi 20$ cho mái và thép góc L90x90x8 kết hợp dầm chống chữ I cho cột, giúp công trình 17 bước cột ($102\text{ m}$) đạt độ cứng không gian ổn định.
  4. Lập bảng tổ hợp tải trọng chi tiết gồm 74 trường hợp, trích xuất chính xác các giá trị nội lực nguy hiểm lớn nhất tại nách khung ($M_{\max} = 314.34\text{ kNm}$), chân cột ($M_{\max} = 317.15\text{ kNm}, N_{\max} = -205.81\text{ kN}$) phục vụ công tác kiểm tra ổn định tiết diện.

Đóng góp thực tế của đồ án

  • Ứng dụng giải pháp xà gồ tiết diện chữ Z dập nguội có hai trục đối xứng giúp triệt tiêu mômen xoắn thứ sinh và cho phép nối chập đôi tại gối để tăng gấp đôi khả năng chịu uốn tại vùng mômen âm.
  • Tối ưu hóa trọng lượng kết cấu mái bằng giải pháp xà ngang tiết diện thay đổi (vát nách từ $650\text{ mm}$ xuống $350\text{ mm}$ và $300\text{ mm}$ ở giữa nhịp), phù hợp với biểu đồ bao mômen uốn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận từ phạm vi đề tài

  • Sơ đồ tính xà gồ mái được tác giả tính toán theo sơ đồ dầm đơn giản hai đầu gối tựa nhằm đơn giản hóa tính toán và thiên về an toàn, chưa tận dụng hết hiệu quả chịu lực của sơ đồ dầm liên tục khi nối chập đôi xà gồ Z tại gối tựa.
  • Tiết diện cột được chọn theo phương án tiết diện không đổi suốt chiều cao cột ($h = 650\text{ mm}$), chưa xét đến giải pháp cột phân đoạn (cột bậc) vốn có thể tối ưu vật liệu hơn cho phần cột trên đỡ xà mái.
  • Tỉ số độ cứng giữa xà và cột khi xác định hệ số chiều dài tính toán $\mu_x$ ở Chương 9 đang được giả thiết sơ bộ là bằng nhau.

Hướng phát triển và mở rộng

  • Tính toán chính xác xà gồ Z theo sơ đồ dầm liên tục nhiều nhịp để giảm quy cách tiết diện và tiết kiệm chi phí thép dập nguội.
  • Nghiên cứu chi tiết cấu tạo các liên kết nút khung: Chi tiết liên kết chân cột với móng (bu lông neo, bản đế, sườn gia cường), liên kết nối xà nách khung bằng bu lông cường độ cao và chi tiết dầm vai đỡ dầm cầu trục.
  • Tính toán thiết kế móng đơn bê tông cốt thép dưới chân cột thép truyền lực xuống nền đất.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp trong quá trình thực hiện Đồ án 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 kết cấu thép tiền chế tham khảo quy trình tính toán hệ bao che (tole, xà gồ Z, sườn tường C) và quy trình xếp tải cầu trục bằng đường ảnh hưởng theo tiêu chuẩn Việt Nam.
  • Các phần đáng tham khảo nhất:
    • Phương pháp tính toán và bảng tra hệ số khí động áp lực gió cho nhà công nghiệp có cửa trời (Chương 4, Chương 7).
    • Quy trình xác định áp lực đứng $D_{\max}, D_{\min}$ và lực hãm ngang $T$ của cầu trục (Chương 7).
    • Ma trận thiết lập 74 tổ hợp tải trọng và bảng trích xuất nội lực nguy hiểm chân cột, nách xà (Chương 8).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án ưu tiên lựa chọn xà gồ thép dập nguội tiết diện chữ Z thay vì chữ C?

Tiết diện chữ Z có hai trục đối xứng nên tâm xoắn trùng với trọng tâm tiết diện. Do đó, tải trọng từ tấm tole truyền xuống đi qua trọng tâm và tâm xoắn, không gây thêm mômen xoắn ngoài các mômen uốn theo hai phương ($M_x, M_y$). Ngoài ra, xà gồ Z rất thuận tiện cho việc nối chập đôi tại gối tựa để tăng gấp đôi khả năng chịu lực tại vị trí có mômen uốn lớn.

2. Thông số mác thép và công nghệ hàn được quy định như thế nào trong đồ án?

Đồ án sử dụng thép mác CCT34s có cường độ tính toán chịu kéo, nén, uốn $f = 2100\text{ kG/cm}^2$, môđun đàn hồi $E = 2.1 \times 10^6\text{ daN/cm}^2$. Phương pháp liên kết tại xưởng và công trường sử dụng phương pháp hàn tay với que hàn tiêu chuẩn N42.

3. Tải trọng gió tác dụng lên công trình được xác định dựa trên những căn cứ nào?

Công trình xây dựng tại TP. Cần Thơ thuộc phân vùng gió II-A với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 83\text{ daN/m}^2$ ($0.83\text{ kN/m}^2$), hệ số vượt tải $n = 1.2$. Hệ số khí động ($c_{e1} = -0.5, c_{e3} = -0.8$) và hệ số độ cao địa hình dạng A ($k = 1.1956$ tại cao trình $11.3\text{ m}$) được tra cứu và nội suy từ TCVN 2737 và Sổ tay kết cấu của PGS. Vũ Mạnh Hùng.

4. Vì sao hệ sườn tường không cần bố trí thêm cột sườn tường phụ?

Dầm sườn tường chọn loại thép dập nguội chữ C mã hiệu 6CS4x105 đặt cách nhau $a = 1.0\text{ m}$. Kết quả tính toán kiểm tra ứng suất uốn xiên ($\sigma \le 1995\text{ daN/cm}^2$) và độ võng tổng hợp ($f \le L/200$) đều thỏa mãn khả năng chịu tải trên nhịp bước khung $B = 6\text{ m}$ nên không cần thiết kế thêm cột sườn tường phụ.

5. Cặp nội lực nguy hiểm nhất tại chân cột khung ngang xuất hiện ở những tổ hợp tải trọng nào?

Tại chân cột, mômen uốn lớn nhất đạt $M_{\max} = 317.15\text{ kNm}$ ($31715\text{ kg.m}$) xuất hiện ở tổ hợp COMB6 (Tĩnh tải + Gió trái); lực dọc nén lớn nhất đạt $N_{\max} = -205.81\text{ kN}$ ($-20581\text{ kg}$) đi kèm mômen $M_{\text{tư}} = -221.70\text{ kNm}$ xuất hiện ở tổ hợp COMB38; và giá trị mômen uốn âm nhỏ nhất xuất hiện ở tổ hợp COMB73.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế Kết cấu thép nhà công nghiệp" của tác giả Kha Quốc Sương đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán kỹ thuật cho một nhà xưởng công nghiệp 17 bước cột, nhịp $27\text{ m}$ trang bị cầu trục $8\text{ tấn}$ tại Thành phố Cần Thơ. Toàn bộ quy trình từ việc định kích thước hình học, thiết kế hệ giằng không gian, cấu kiện bao che (tole, xà gồ Z, sườn tường C) đến phân tích 74 tổ hợp nội lực và kiểm tra tiết diện cột, xà đều tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn xây dựng TCVN 2737 và lý thuyết kết cấu thép hiện hành. Bản thuyết minh cung cấp hệ thống số liệu tính toán chi tiết, có giá trị tham khảo kỹ thuật cao cho sinh viên và kỹ sư thiết kế kết cấu công trình công nghiệp.