Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế
Đồ án môn học "Kết cấu thép 2" do sinh viên Nguyễn Tường Vy thực hiện dưới sự hướng dẫn của Th.S Trần Quốc Hùng tại Khoa Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc TP.HCM (tháng 8 năm 2021). Đề tài tập trung vào việc tính toán, thiết kế hệ kết cấu chịu lực chính cho công trình nhà xưởng công nghiệp một tầng, một nhịp bằng kết cấu thép có trang bị hệ thống cầu trục hoạt động với cường độ trung bình.
Trong thực tế xây dựng công nghiệp, nhà xưởng khẩu độ lớn có cầu trục tải trọng nặng đòi hỏi giải pháp kết cấu vừa đảm bảo khả năng chịu lực tổng thể, độ cứng không gian, vừa tối ưu hóa khối lượng thép sử dụng và thuận tiện trong quá trình gia công, lắp dựng. Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được xác định theo các thông số kỹ thuật đầu vào cụ thể:
- Thiết kế khung ngang chịu lực chính cho nhà công nghiệp một tầng, một nhịp với nhịp khung $L = 30\text{ m}$.
- Xác định bước cột $B = 6\text{ m}$ và tổng chiều dài toàn bộ khối nhà $A = 102\text{ m}$.
- Bố trí và tính toán kết cấu chịu tác động của 2 cầu trục làm việc ở chế độ trung bình, sức nâng danh định mỗi cầu trục là $Q = 75/20\text{ T}$ (móc chính 75 tấn, móc phụ 20 tấn), cao trình đỉnh ray tại mốc $H_r = +12.00\text{ m}$.
- Thiết kế hệ thống bao che với độ dốc mái $i = 10%$ (tương ứng góc nghiêng $\alpha = 5.711^\circ$), sử dụng giải pháp lợp tole.
- Địa điểm xây dựng giả định thuộc vùng áp lực gió III-A, dạng địa hình B.
Phạm vi của đồ án tập trung vào tính toán khung ngang điển hình của công trình, phân tích nội lực bằng mô hình không gian phẳng dưới tác động của các tổ hợp tải trọng tĩnh và động, sau đó thiết kế chi tiết từng cấu kiện: xà gồ, cột thép phân đoạn (cột trên đặc, cột dưới rỗng), dàn vì kèo thép hình và các liên kết nút khung.
Tiêu chuẩn kỹ thuật và phương pháp tính toán
Hệ thống tính toán trong đồ án được xây dựng dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu hiện hành của Việt Nam, kết hợp phương pháp mô hình hóa phần tử hữu hạn trên phần mềm chuyên ngành:
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Số liệu thiết kế và lựa chọn vật liệu
Chương này thiết lập toàn bộ các thông số ban đầu của bài toán thiết kế: nhịp khung $L = 30\text{ m}$, bước cột $B = 6\text{ m}$, chiều dài xưởng $A = 102\text{ m}$, sức trục $Q = 75/20\text{ T}$, cao trình đỉnh ray $H_r = +12.00\text{ m}$, vùng gió III-A, địa hình B. Tác giả lựa chọn mác thép CCT38, que hàn N42, bulong cấp bền 5.8; đồng thời xác định sơ đồ liên kết gồm liên kết cứng (ngàm) giữa dàn vì kèo với đỉnh cột và liên kết ngàm tại chân cột với móng bê tông cốt thép trong mặt phẳng khung.
Chương 2: Xác định kích thước khung ngang
Nội dung chương trình bày quy trình tính toán kích thước hình học toàn bộ các bộ phận khung:
- Thông số cầu trục: Chọn khoảng cách từ trục ray đến trục định vị cột $\lambda = 0.75\text{ m}$, nhịp cầu trục $L_k = L - 2\lambda = 28.5\text{ m}$, loại ray KP-100.
- Kích thước theo phương đứng: Chiều cao dầm cầu trục sơ bộ $h_{dcc} = 750\text{ mm}$; khoảng cách từ mặt ray đến đáy dàn $H_2 = (H_c + 100) + f = (4000 + 100) + 300 = 4500\text{ mm}$ ($H_c = 4000\text{ mm}$ là kích thước gabarit đỉnh xe con, $f = 300\text{ mm}$ là khe hở an toàn); chiều cao xưởng $H = H_1 + H_2 = 12000 + 4500 = 16500\text{ mm}$; chiều cao cột dưới $H_{cd} = 11650\text{ mm}$ (với chiều cao ray $h_{ray} = 200\text{ mm}$, chôn móng $h_m = 600\text{ mm}$).
- Kích thước theo phương ngang: Trục định vị thụt vào so với mép ngoài cột $a = 250\text{ mm}$; tiết diện cột trên dạng cột đặc chữ I đối xứng $I500 \times 250 \times 8 \times 12\text{ mm}$; kiểm tra khe hở cầu trục $\lambda = 750\text{ mm} \ge B_1 + (h_t - a) + D = 400 + (500 - 250) + 60 = 710\text{ mm}$ (thỏa mãn); chiều cao tiết diện cột dưới dạng rỗng $h_d = \lambda + a = 1000\text{ mm} \ge H/20 = 825\text{ mm}$.
- Dàn mái và cửa mái: Chiều cao đầu dàn $h_0 = 2200\text{ mm}$, chiều cao giữa dàn $h_{\text{giữa}} = h_0 + (L/2) \times 10% = 3.7\text{ m}$; cửa mái rộng $L_{cm} = 12\text{ m}$, cao $h = 1.5\text{ m}$.
- Hệ giằng: Bố trí hệ giằng cánh trên (thanh chéo chữ thập tại 2 đầu nhà và giữa nhà, thanh chống dọc bước 6 m), giằng cánh dưới (tạo khối cứng không gian và dàn gió đầu hồi), giằng cột trên và giằng cột dưới (thanh chéo chữ thập góc nghiêng $35^\circ \div 55^\circ$).
Chương 3: Tải trọng tác dụng lên khung ngang
Chương 3 tính toán chi tiết các tác động cơ bản lên khung:
- Tĩnh tải: Tải trọng mái hoàn thiện (tole, xà gồ, giằng) có giá trị tính toán $g_m^{tt} = 0.22\text{ kN/m}^2$, quy đổi tải phân bố lên khung $G_m = 1.326\text{ kN/m}$, lực tập trung tại nút giữa dàn $G_1^{tt} = 1.99\text{ kN}$; tĩnh tải tường bao $g_{tt}^{tt} = 0.165\text{ kN/m}^2$ ($g_{tt} = 0.99\text{ kN/m}$); trọng lượng dầm cầu trục tính toán $G_{dct}^{tt} = 14.652\text{ kN}$; tĩnh tải cửa mái tính toán $P_{cm}^{tt} = 13.86\text{ kN}$.
- Hoạt tải mái: Hoạt tải thi công/sửa chữa $p^{tc} = 0.3\text{ kN/m}^2$, hệ số vượt tải $n = 1.3 \rightarrow p^{tt} = 0.39\text{ kN/m}^2$, quy về lực tập trung nút giữa dàn $P_2 = 3.51\text{ kN}$, nút biên $P_1 = 1.755\text{ kN}$.
- Hoạt tải cầu trục: Xác định áp lực đứng tiêu chuẩn bánh xe ($P_{1\max} = 380\text{ kN}$, $P_{1\min} = 145\text{ kN}$, $P_{2\max} = 390\text{ kN}$, $P_{2\min} = 135\text{ kN}$); tính $D_{\max}, D_{\min}$ qua tung độ đường ảnh hưởng khi 2 cầu trục đứng sát nhau với hệ số tổ hợp $n_c = 0.85$ và hệ số vượt tải $n = 1.2$; tính lực hãm ngang tiêu chuẩn của một bánh xe $T_1 = 0.05 \times (Q + G_{\text{xe con}})/n_0$ và lực hãm ngang tính toán $T_{\max}^{tt}$.
- Tải trọng gió: Áp lực gió tiêu chuẩn vùng III-A là $W_0 = 110\text{ daN/m}^2$ ($1.1\text{ kN/m}^2$), hệ số vượt tải $n = 1.2$. Do $H < 40\text{ m}$, bỏ qua thành phần động. Tác giả lập bảng phân bố áp lực gió theo cao độ $z$ (từ $+10.4\text{ m}$ đến $+21.7\text{ m}$) cho cả 2 trường hợp gió trái và gió phải, quy về tải phân bố trên cột và tải tập trung tại các nút xà gồ dàn mái.
| Cao độ $z$ (m) |
Hệ số $k$ |
Hệ số khí động $c$ (Gió trái) |
Tải phân bố $q$ (kN/m) |
Lực tập trung nút giữa (kN) |
| 10.4 (Chân - Vai) |
1.006 |
+0.800 (đẩy) / -0.543 (hút) |
+6.37 / -4.33 |
6.37 / -4.33 |
| 16.5 (Cột trên) |
1.095 |
+0.800 / -0.543 |
+6.94 / -4.71 |
- |
| 18.7 (Đầu dàn) |
1.117 |
+0.800 / -0.543 |
+7.08 / -4.80 |
- |
| 19.9 (Mái) |
1.129 |
-0.610 / -0.500 |
-5.45 / -4.47 |
-8.23 / -6.75 |
| 21.4 (Cửa mái) |
1.143 |
+0.700 / -0.600 |
+6.34 / -5.43 |
- |
| 21.7 (Đỉnh mái) |
1.145 |
-0.610 / -0.443 |
-5.53 / -4.02 |
-8.35 / -6.07 |
Chương 4: Mô hình và tính toán nội lực bằng phần mềm SAP2000
Tác giả tiến hành khai báo tiết diện sơ bộ của các phần tử thanh trong mô hình SAP2000:
- Cột trên: Thép tổ hợp chữ I kích thước $I500 \times 250 \times 8 \times 12$.
- Cột dưới: Kết cấu rỗng gồm 2 nhánh (nhánh ngoài thép hình chữ $[$ C400x20x10, nhánh trong chữ I tổ hợp I400x200x10x12) liên kết qua thanh bụng xiên 2L 50x5.
- Dầm vai cột: Thép chữ I tổ hợp $I650 \times 250 \times 8 \times 12$.
- Dàn vì kèo: Thanh cánh trên 2L 140x10, thanh cánh dưới 2L 140x8, thanh xiên đầu dàn 2L 125x100x10, các thanh bụng 2L 50x5.
Gán các trường hợp tải trọng độc lập vào mô hình gồm: Tĩnh tải (TT), Hoạt tải sửa chữa mái nửa trái (HT1), Hoạt tải sửa chữa mái nửa phải (HT2), Hoạt tải cả mái (HT CA MAI), Áp lực đứng cầu trục tác dụng cột trái ($D_{\max_T}$), Áp lực đứng cầu trục tác dụng cột phải ($D_{\max_P}$), Lực hãm ngang cầu trục ($T_{Tr}, T_{Ph}$), Gió trái (GIOT), Gió phải (GIOP). Trích xuất toàn bộ biểu đồ momen uốn ($M$) và lực dọc trục ($N$) tương ứng.
Chương 5: Tổ hợp nội lực thiết kế
Thực hiện tổ hợp nội lực theo nguyên lý cộng tác dụng:
- Tổ hợp cơ bản 1: Tĩnh tải + 01 trường hợp hoạt tải (hệ số 1.0).
- Tổ hợp cơ bản 2: Tĩnh tải + từ 02 trường hợp hoạt tải trở lên (các hoạt tải nhân hệ số chiết giảm 0.9).
Thiết lập bảng tổng hợp nội lực tại các tiết diện đặc trưng (chân cột, vai cột, đỉnh cột, các nút dàn) để tìm ra các bộ ba nội lực nguy hiểm nhất ($M_{\max} - N_{tu} - V_{tu}$, $M_{\min} - N_{tu} - V_{tu}$, $N_{\max} - M_{tu} - V_{tu}$) phục vụ kiểm tra tiết diện. Tiến hành kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh cột và độ võng của dàn vì kèo đảm bảo nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn.
Chương 6: Thiết kế tole lợp mái và xà gồ
- Thiết kế tole: Tính toán tole sóng chịu tải trọng phân bố do tĩnh tải bản thân, hoạt tải sửa chữa và tải trọng gió; kiểm tra độ bền theo mômen kháng uốn và độ võng tương đối $f/l \le [f/l]$.
- Thiết kế xà gồ: Sử dụng thép hình dập nguội chữ C đặt nghiêng theo độ dốc mái $10%$. Tải trọng tác dụng được phân tích thành hai thành phần vuông góc và song song với mặt phẳng mái. Xà gồ được kiểm tra chịu uốn xiên theo công thức ứng suất pháp tổng hợp $\sigma = \frac{M_x}{W_x} + \frac{M_y}{W_y} \le f \cdot \gamma_c$ và kiểm tra độ võng theo hai phương.
Chương 7: Thiết kế cột
Quy trình thiết kế cột khung bao gồm tính toán chiều dài tính toán, kiểm tra tiết diện và cấu tạo chi tiết:
- Chiều dài tính toán: Xác định hệ số chiều dài tính toán trong mặt phẳng $\mu_x$ và ngoài mặt phẳng $\mu_y$ cho cả đoạn cột trên và cột dưới dựa vào độ cứng tương đối giữa cột và dàn.
- Thiết kế cột trên (cột đặc): Kiểm tra bền, ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn (xét đến ảnh hưởng của độ lệch triệt tiêu và uốn dọc $\varphi$), ổn định ngoài mặt phẳng uốn ($\varphi_y, c$), kiểm tra ổn định cục bộ bản bụng ($h_0/t_w$) và bản cánh ($b_0/t_f$) dưới tác dụng của cặp nội lực nguy hiểm $(M_{\max}, N_{tu})$ và $(N_{\max}, M_{tu})$.
- Thiết kế cột dưới (cột rỗng 2 nhánh): Tính toán nhánh cầu trục (nhánh trong) và nhánh bao che (nhánh ngoài). Kiểm tra ổn định tổng thể toàn cột theo trục ảo uốn $x-x$ (thông qua độ mảnh quy đổi $\lambda_{tx}$ phụ thuộc vào hệ giằng bụng 2L 50x5); kiểm tra ổn định từng nhánh riêng biệt theo trục thực $y-y$; tính toán mối hàn liên kết thanh giằng giằng chéo vào bản cánh nhánh cột.
- Thiết kế chi tiết liên kết cột: Tính toán kết cấu dầm vai đỡ dầm cầu chạy (sườn gia cường, đường hàn truyền lực cắt từ dầm vai vào cột dưới), nút nối chuyển tiếp giữa cột trên và cột dưới, cấu tạo chi tiết chân cột ngàm với móng (kích thước bản đế, tính toán sườn truyền lực, dầm đế và bố trí bulong neo chịu kéo/nhổ).
Chương 8: Thiết kế dàn vì kèo
- Xác định sơ đồ dàn và nội lực: Dàn cánh song song đoạn giữa kết hợp vát dốc $10%$ về hai đầu, nhịp $30\text{ m}$. Lực dọc trong các thanh dàn được lấy từ bảng tổ hợp nội lực nguy hiểm của SAP2000.
- Xác định chiều dài tính toán: Chiều dài tính toán trong mặt phẳng dàn $l_x$ lấy bằng khoảng cách giữa các nút dàn; chiều dài ngoài mặt phẳng $l_y$ phụ thuộc vào vị trí các điểm cố kết của hệ giằng cánh trên, giằng cánh dưới và hệ xà gồ mái.
- Lựa chọn và kiểm tra tiết diện thanh dàn: Sử dụng hai thép góc ghép chữ thập hoặc ghép chữ T ngược (chọn thép góc đều cạnh và không đều cạnh). Kiểm tra khả năng chịu kéo đúng tâm, nén uốn/nén đúng tâm, kiểm tra điều kiện độ mảnh giới hạn $[\lambda]$:
- Thanh cánh trên: $2L 140 \times 10$.
- Thanh cánh dưới: $2L 140 \times 8$.
- Thanh xiên đầu dàn: $2L 125 \times 100 \times 10$.
- Các thanh bụng đứng và xiên: $2L 50 \times 5$.
- Thiết kế nút dàn: Xác định chiều dày bản mã nút dàn dựa trên nội lực thanh lớn nhất ($t_{bm} = 10 \div 14\text{ mm}$); tính toán chiều dài và chiều cao đường hàn góc liên kết từng thanh dàn vào bản mã; thiết kế chi tiết nút nối khuếch đại đỉnh dàn/giữa dàn tại công trường bằng bản ghép và bulong tinh chế/đường hàn; thiết kế nút liên kết cứng đầu dàn vào cột khung bằng bulong cường độ cao và bản mã liên kết.
Quy trình tính toán và mô hình kết cấu
Đồ án triển khai tuần tự theo quy trình thiết kế kỹ thuật kết cấu công trình công nghiệp:
[Số liệu đầu vào: L=30m, Q=75/20T, Vùng gió III-A]
[Xác định kích thước hình học & Chọn sơ bộ tiết diện]
[Xác định các loại tải trọng: Tĩnh tải, Hoạt tải mái, Cầu trục, Gió]
[Mô hình hóa khung phẳng & Phân tích nội lực trên SAP2000]
[Tổ hợp nội lực (CB1, CB2) & Trích xuất nội lực nguy hiểm]
[Thiết kế Tole & Xà gồ] [Thiết kế Cột trên & Cột dưới] [Thiết kế Dàn vì kèo & Nút liên kết]
[Thiết kế Chi tiết Liên kết & Mối nối]
- Mô hình hóa: Toàn bộ hệ khung ngang gồm 2 cột phân đoạn và dàn vì kèo hình thang có cửa mái được mô hình hóa dưới dạng hệ thanh phần tử hữu hạn 2D trong không gian phẳng. Nút liên kết giữa đỉnh cột và dàn vì kèo được mô hình là nút cứng; liên kết chân cột với móng là liên kết ngàm.
- Xử lý tải trọng cầu trục: Khác với tải trọng phân bố tĩnh, áp lực cầu trục được rời rạc hóa qua vị trí bất lợi nhất của 2 xe cầu trục đứng sát nhau. Tung độ đường ảnh hưởng xác định phản lực gối tựa truyền vào vai cột ($D_{\max} = 1.2 \times 0.85 \times \sum P_i y_i$).
- Phân tích ứng suất và chuyển vị: SAP2000 tự động tính toán trọng lượng bản thân kết cấu và xác định ma trận độ cứng tổng thể. Nội lực xuất ra từ các trường hợp tải trọng thành phần được xử lý qua bảng tổ hợp để kiểm tra bền, ổn định tổng thể, ổn định cục bộ và biến dạng công trình.
Kết quả thiết kế và giải pháp kỹ thuật
Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán thiết kế cho khung ngang nhà công nghiệp nhịp 30 m, đạt được các kết quả cụ thể sau:
Hạn chế và phạm vi áp dụng
Giá trị tham khảo chuyên ngành
Hồ sơ đồ án là tài liệu tham khảo trực quan và hữu ích cho sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng (Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp) khi thực hiện đồ án môn học Kết cấu thép 2, đồ án tốt nghiệp hoặc các kỹ sư thiết kế kết cấu nhà thép tiền chế:
- Phần kích thước hình học và tải trọng (Chương 2, 3): Cung cấp phương pháp chi tiết về cách tra cứu thông số cầu trục hạng nặng ($Q = 75\text{ T}$), cách lập đường ảnh hưởng xác định $D_{\max}, D_{\min}, T$ và bảng tính toán phân bố tải trọng gió theo cao độ nhà xưởng có cửa mái.
- Phần mô hình hóa SAP2000 (Chương 4, 5): Cung cấp trình tự khai báo tiết diện thanh tổ hợp, gán tải trọng tập trung/phân bố lên mô hình khung phẳng và cách thiết lập các tổ hợp nội lực cơ bản theo TCVN.
- Phần thiết kế cấu kiện (Chương 7, 8): Minh họa đầy đủ các bước kiểm tra ổn định tổng thể cột rỗng theo trục ảo, ổn định cục bộ bản thành/bản cánh cột đặc chữ I, tính toán chọn thép góc kép cho hệ thanh dàn và cấu tạo các nút liên kết thép hàn - bulong.
Câu hỏi thường gặp
1. Sức nâng cầu trục và chế độ làm việc được quy định trong đồ án là bao nhiêu?
Công trình được thiết kế cho 2 cầu trục hoạt động đồng thời trong nhịp $30\text{ m}$, mỗi cầu trục có sức nâng $Q = 75/20\text{ T}$ (móc chính 75 tấn, móc phụ 20 tấn), hoạt động ở chế độ làm việc trung bình, sử dụng ray loại KP-100.
2. Tiết diện cột trên và cột dưới được lựa chọn với quy cách như thế nào?
Cột trên là dạng cột đặc tiết diện chữ I tổ hợp kích thước $I500 \times 250 \times 8 \times 12\text{ mm}$. Cột dưới là dạng cột rỗng 2 nhánh có tổng chiều cao tiết diện $h_d = 1000\text{ mm}$, gồm nhánh ngoài chữ $[$ C400x20x10, nhánh trong chữ I tổ hợp I400x200x10x12, liên kết bằng hệ giằng thanh bụng thép góc kép 2L 50x5.
3. Tiêu chuẩn và thông số nào được dùng để tính toán tải trọng gió trong đồ án?
Tải trọng gió được tính theo TCVN 2737 – 1995 với vùng gió III-A, áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 110\text{ daN/m}^2$ ($1.1\text{ kN/m}^2$), dạng địa hình B, hệ số vượt tải $n = 1.2$. Công trình có chiều cao đỉnh $H = 21.7\text{ m} < 40\text{ m}$ nên chỉ tính thành phần tĩnh của gió, quy đổi thành tải phân bố trên thân cột và lực tập trung tại các nút xà gồ mái.
4. Mác thép và vật liệu liên kết được lựa chọn có các chỉ tiêu cường độ ra sao?
Thép kết cấu sử dụng loại CCT38 (theo TCVN 4575 – 2012) có cường độ tính toán $f = 230\text{ MPa}$, cường độ kéo đứt tiêu chuẩn $f_u = 380\text{ MPa}$. Que hàn loại N42 có $f_{wf} = 180\text{ MPa}$, $f_{ws} = 170\text{ MPa}$. Bulong liên kết thuộc cấp độ bền 5.8 với cường độ tính toán chịu cắt và chịu kéo $f_{vb} = f_{tb} = 200\text{ MPa}$.
5. Vì sao cột dưới của khung ngang lại phải thiết kế dạng cột rỗng 2 nhánh thay vì cột đặc?
Do nhịp nhà lớn ($L = 30\text{ m}$) và sức nâng cầu trục lớn ($Q = 75\text{ T}$), chiều cao tiết diện cột dưới yêu cầu sơ bộ lên tới $h_d = 1000\text{ mm}$ để đảm bảo độ cứng và bố trí vai đỡ dầm cầu trục. Việc sử dụng cột rỗng 2 nhánh (nhánh bao che và nhánh cầu trục) giúp giảm trọng lượng bản thân kết cấu, tiết kiệm khối lượng thép so với cột đặc cùng chiều cao tiết diện mà vẫn đảm bảo độ cứng uốn trong mặt phẳng khung ngang.
Kết luận
Đồ án "Kết cấu thép 2" của sinh viên Nguyễn Tường Vy đã hoàn thành việc thiết kế kết cấu khung ngang nhà công nghiệp một tầng một nhịp khẩu độ 30 m có cầu trục 75/20 tấn theo đúng các quy chuẩn xây dựng Việt Nam hiện hành. Toàn bộ quy trình từ xác lập kích thước hình học, tính toán tải trọng, giải nội lực bằng phần mềm SAP2000 đến kiểm tra tiết diện cấu kiện và cấu tạo nút liên kết đều được trình bày rõ ràng, số liệu logic và tường minh. Hồ sơ thuyết minh phản ánh đầy đủ giải pháp kỹ thuật điển hình cho kết cấu nhà xưởng công nghiệp bằng thép chịu tải trọng nặng trong thực tế xây dựng.
