Đồ Án Kết Cấu Thép Tại Trường Đại Học Xây Dựng Miền Tây

• Trường học: Trường Đại Học Xây Dựng Miền Tây
• Đề tài: Đồ Án Kết Cấu Thép Tại Trường Đại Học Xây Dựng Miền Tây
• Loại tài liệu: Đồ án

• I. PHẦN I: TÍNH TOÁN CHUNG
• II. PHẦN II: TÍNH TOÁN KHUNG NGANG
• III. PHẦN III: THIẾT KẾ TIẾT DIỆN CỘT

I. Khám phá Đồ Án Kết Cấu Thép tại ĐH Xây Dựng Miền Tây

Đồ án Kết Cấu Thép là một học phần cốt lõi, đánh dấu năng lực tổng hợp của sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng. Tại Trường Đại học Xây dựng Miền Tây (MTU), đồ án này không chỉ là một bài tập lớn mà còn là một công trình nghiên cứu thu nhỏ, mô phỏng quá trình thiết kế thực tế một công trình công nghiệp. Nội dung chính của đồ án thường tập trung vào việc thiết kế khung ngang của một kết cấu thép nhà xưởng hoặc kết cấu thép nhà công nghiệp, bao gồm tất cả các cấu kiện chính từ cột, dầm đến dàn vì kèo. Một đồ án kết cấu thép tại Trường Đại học Xây dựng Miền Tây điển hình đòi hỏi sinh viên phải vận dụng kiến thức từ nhiều môn học như Sức bền vật liệu, Cơ học kết cấu, và Nền móng. Quá trình thực hiện bao gồm việc phân tích số liệu đầu vào, xác định tải trọng, tổ hợp nội lực, và cuối cùng là thiết kế chi tiết từng cấu kiện. Toàn bộ quá trình tính toán và thiết kế phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép hiện hành, đặc biệt là TCVN 5575:2012. Kết quả cuối cùng không chỉ là một bộ bản vẽ CAD kết cấu thép hoàn chỉnh mà còn là một cuốn thuyết minh đồ án kết cấu thép chi tiết, thể hiện rõ ràng cơ sở lý thuyết và quy trình tính toán. Sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn đồ án từ khoa Kỹ thuật Xây dựng MTU đóng vai trò cực kỳ quan trọng, giúp sinh viên định hướng và giải quyết các vấn đề kỹ thuật phức tạp.

1.1. Phân tích số liệu thiết kế nhà xưởng công nghiệp

Cơ sở để bắt đầu một đồ án kết cấu thép tại Trường Đại học Xây dựng Miền Tây là bộ số liệu thiết kế ban đầu. Theo tài liệu tham khảo, đồ án mẫu thiết kế khung ngang nhà xưởng 1 nhịp, 1 tầng với các thông số cụ thể: nhịp khung L = 33m, chiều dài nhà 153m, và cao trình đỉnh ray H1 = +9,1m. Một yếu tố quan trọng là tải trọng từ cầu trục, với sức nâng Q = 500/100 kN và chế độ làm việc trung bình. Vật liệu sử dụng là thép CCT34 với cường độ tính toán f = 21 kN/cm² và mô đun đàn hồi E = 21x10³ kN/cm². Các thông số này là nền tảng cho mọi bước tính toán kết cấu thép sau này. Ngoài ra, các yếu tố về địa lý và môi trường như vùng áp lực gió (II-A, địa hình C) cũng được cung cấp để tính toán tải trọng gió một cách chính xác.

1.2. Tầm quan trọng của tiêu chuẩn TCVN 5575 2012

Tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 về 'Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế' là kim chỉ nam cho toàn bộ quá trình thực hiện đồ án. Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu về cường độ, độ bền, và ổn định của cấu kiện thép. Mọi công thức tính toán, từ việc xác định nội lực, kiểm tra tiết diện cột, cho đến thiết kế liên kết bulong và liên kết hàn, đều phải dựa trên các quy định trong tiêu chuẩn này. Ví dụ, việc xác định các hệ số vượt tải cho tĩnh tải và hoạt tải, hay việc tra các hệ số ổn định (φ) cho cấu kiện chịu nén đều được thực hiện theo các bảng tra trong TCVN 5575:2012. Việc tuân thủ tiêu chuẩn không chỉ đảm bảo tính chính xác khoa học của đồ án mà còn là yêu cầu bắt buộc để được thông qua trong buổi bảo vệ đồ án tốt nghiệp.

II. Top thách thức khi thực hiện đồ án kết cấu thép tại MTU

Việc thực hiện đồ án kết cấu thép tại Trường Đại học Xây dựng Miền Tây đặt ra nhiều thách thức cho sinh viên. Thách thức lớn nhất là việc tổng hợp và áp dụng một khối lượng kiến thức khổng lồ vào một bài toán thực tế. Quá trình xác định và tính toán các loại tải trọng tác dụng lên khung là bước đầu tiên nhưng cũng đầy phức tạp. Sinh viên phải tính toán chính xác tĩnh tải (trọng lượng mái, xà gồ, bản thân kết cấu), hoạt tải (tải sửa chữa mái) và các tải trọng đặc biệt như tải trọng cầu trục và tải trọng gió. Việc tổ hợp các trường hợp tải trọng khác nhau để tìm ra cặp nội lực nguy hiểm nhất cho từng cấu kiện đòi hỏi sự cẩn thận và hiểu biết sâu sắc về nguyên lý làm việc của kết cấu. Một thách thức khác nằm ở việc sử dụng thành thạo các công cụ phần mềm. Các phần mềm SAP2000 và phần mềm ETABS là công cụ đắc lực để giải bài toán nội lực khung, tuy nhiên, việc mô hình hóa kết cấu, gán tải trọng và diễn giải kết quả một cách chính xác lại không hề đơn giản. Nếu mô hình sai, toàn bộ kết quả tính toán kết cấu thép sẽ không còn đáng tin cậy. Cuối cùng, việc thể hiện kết quả qua bản vẽ CAD kết cấu thép và thuyết minh đồ án kết cấu thép một cách chuyên nghiệp, rõ ràng cũng là một kỹ năng quan trọng mà sinh viên cần hoàn thiện.

2.1. Khó khăn trong việc xác định tải trọng và tổ hợp

Việc xác định tải trọng là bước nền tảng quyết định sự chính xác của toàn bộ đồ án. Tải trọng gió, ví dụ, yêu cầu phải tra cứu nhiều hệ số phức tạp như hệ số khí động (c), hệ số độ cao (k) theo đúng TCVN 2737-1995. Tương tự, áp lực từ cầu trục (Dmax, Dmin) và lực hãm ngang (T) cũng cần được tính toán dựa trên catalogue và đường ảnh hưởng. Sau khi có được các giá trị tải trọng, giai đoạn tổ hợp nội lực bắt đầu. Sinh viên phải thiết lập hàng chục tổ hợp cơ bản I và II, kết hợp tĩnh tải với các loại hoạt tải khác nhau (hoạt tải mái, tải cầu trục, gió trái, gió phải) theo các hệ số tổ hợp quy định. Việc tìm ra các cặp M-N, Q-N nguy hiểm nhất từ bảng kết quả của phần mềm ETABS để thiết kế là một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ cao.

2.2. Sử dụng phần mềm SAP2000 và ETABS hiệu quả

Các phần mềm SAP2000 và ETABS giúp tự động hóa quá trình tính toán nội lực, nhưng chúng cũng là con dao hai lưỡi. Sinh viên thường gặp khó khăn trong việc giả thiết sơ đồ tính. Ví dụ, việc xem thanh xà ngang là tuyệt đối cứng (Id = ∞) khi tính khung là một giả thiết quan trọng để đơn giản hóa bài toán. Việc lựa chọn tiết diện sơ bộ, khai báo đặc trưng vật liệu, và gán các điều kiện liên kết (ngàm, khớp) phải chính xác. Sai lầm trong việc gán tải trọng, đặc biệt là tải trọng gió dạng hình thang và tải trọng cầu trục di động, là rất phổ biến. Việc kiểm tra lại kết quả của phần mềm bằng các phương pháp tính tay đơn giản cho một vài trường hợp tải là kỹ năng cần thiết để đảm bảo độ tin cậy của mô hình.

III. Hướng dẫn tính toán khung ngang cho kết cấu thép nhà xưởng

Quá trình tính toán kết cấu thép cho khung ngang là phần trọng tâm của đồ án. Quy trình này bắt đầu bằng việc xác định tất cả các tải trọng tác động. Tĩnh tải bao gồm trọng lượng các lớp mái, hệ giằng, và trọng lượng bản thân các cấu kiện, được tính toán dựa trên kích thước và vật liệu. Hoạt tải mái được lấy theo tiêu chuẩn. Tải trọng cầu trục và tải trọng gió là hai loại hoạt tải chính và phức tạp nhất, cần được xác định cẩn thận theo các thông số kỹ thuật và điều kiện địa lý đã cho. Sau khi xác định được các tải trọng tiêu chuẩn, chúng được nhân với hệ số vượt tải tương ứng để ra tải trọng tính toán. Bước tiếp theo là sử dụng phần mềm ETABS để mô hình hóa khung ngang, gán tải trọng và chạy phân tích nội lực. Kết quả từ phần mềm là các giá trị momen (M), lực dọc (N), và lực cắt (Q) tại các tiết diện đặc trưng của cột và xà. Từ đó, tiến hành tổ hợp nội lực theo các trường hợp nguy hiểm nhất để tìm ra các cặp giá trị dùng cho việc thiết kế tiết diện. Đây là bước quan trọng để đảm bảo công trình an toàn dưới mọi điều kiện hoạt động. Toàn bộ quy trình này là minh chứng cho năng lực của sinh viên Đại học Xây dựng Miền Tây trong việc giải quyết một bài toán kỹ thuật phức hợp.

3.1. Quy trình xác định tĩnh tải và hoạt tải mái

Tĩnh tải mái được xác định bằng cách cộng trọng lượng của tất cả các lớp cấu tạo. Dựa trên tài liệu mẫu, các lớp này bao gồm tấm mái panel bê tông cốt thép, lớp cách nhiệt, lớp bê tông chống thấm, và các lớp vữa lót, với tổng tải trọng tiêu chuẩn là 477 daN/m². Sau khi nhân với các hệ số vượt tải riêng, tải trọng tính toán của mái là 542,1 daN/m². Ngoài ra, trọng lượng bản thân kết cấu mái và hệ giằng cũng được ước tính theo công thức kinh nghiệm. Đối với hoạt tải, TCVN 2737-1995 quy định tải trọng sửa chữa mái tiêu chuẩn là 75 daN/m². Các tải trọng này sau đó được quy về lực tập trung đặt tại các nút dàn để phục vụ cho việc tính toán dàn vì kèo.

3.2. Phương pháp tính toán tải trọng gió theo vùng II A

Tải trọng gió được tính theo TCVN 2737-1995, phụ thuộc vào áp lực gió cơ bản (W₀), hình dạng công trình, và độ cao. Với đồ án kết cấu thép này, vùng áp lực gió là II-A, tương ứng W₀ = 0,83 kN/m². Tải trọng gió được phân thành hai thành phần: gió đẩy tác dụng vào mặt đón gió và gió hút tác dụng vào mặt khuất gió và mái. Giá trị tải trọng gió phân bố trên cột không phải là hằng số mà thay đổi theo chiều cao, phụ thuộc vào hệ số k. Do đó, tải trọng gió tác dụng lên cột thường có dạng hình thang. Tải trọng gió tác dụng lên mái được quy về lực tập trung đặt tại cao trình xà ngang. Việc tính toán chính xác các hệ số khí động (ce) và áp dụng đúng công thức là yếu tố quyết định độ chính xác của tải trọng gió.

IV. Bí quyết thiết kế tiết diện cột thép và dàn vì kèo tại MTU

Sau khi có cặp nội lực tính toán nguy hiểm nhất, bước tiếp theo là thiết kế tiết diện cho các cấu kiện chính. Đối với cột thép, đây là cấu kiện chịu nén lệch tâm phức tạp. Việc thiết kế bắt đầu bằng việc chọn sơ bộ tiết diện dựa trên các công thức kinh nghiệm và yêu cầu về độ cứng. Cột trong kết cấu thép nhà xưởng thường có tiết diện thay đổi, phần cột dưới lớn hơn để chịu momen và lực cắt từ dầm cầu trục, phần cột trên nhỏ hơn. Sau khi có tiết diện sơ bộ, cần tiến hành kiểm tra lại theo các điều kiện bền và ổn định. Điều kiện bền đảm bảo ứng suất trong cột không vượt quá cường độ tính toán của vật liệu. Điều kiện ổn định tổng thể và ổn định cục bộ (của bản cánh và bản bụng) là phức tạp hơn, đòi hỏi phải tính toán độ mảnh và các hệ số uốn dọc (φ). Tương tự, các thanh của dàn vì kèo cũng được thiết kế. Các thanh cánh thường chịu lực lớn nhất và được thiết kế chịu nén hoặc kéo, trong khi các thanh bụng chịu lực nhỏ hơn. Mỗi thanh được kiểm tra độ bền và độ mảnh để đảm bảo toàn bộ hệ dàn làm việc ổn định. Việc lựa chọn tiết diện hợp lý không chỉ đảm bảo an toàn mà còn tối ưu hóa khối lượng vật liệu, thể hiện kinh nghiệm của người thiết kế.

4.1. Lựa chọn và kiểm tra tiết diện cột thép chịu nén

Thiết kế cột thép là một quy trình lặp. Dựa trên nội lực từ phần mềm ETABS, diện tích yêu cầu của cột được xác định sơ bộ. Cột dưới, chịu momen lớn, được chọn tiết diện chữ I bất đối xứng. Cột trên có tiết diện chữ I đối xứng. Các thông số hình học như momen quán tính (I), bán kính quán tính (i), và momen kháng uốn (W) được tính toán. Bước quan trọng nhất là kiểm tra ổn định trong và ngoài mặt phẳng khung. Chiều dài tính toán của cột (l₀) được xác định dựa vào điều kiện liên kết ở hai đầu. Từ đó, độ mảnh (λ) và độ mảnh quy ước được tính. Tra bảng trong TCVN 5575:2012, ta tìm được các hệ số ổn định (φe, φy) để kiểm tra điều kiện chịu lực. Nếu tiết diện không thỏa mãn, cần tăng kích thước và tính toán lại.

4.2. Tính toán và chọn tiết diện thanh dàn vì kèo

Việc thiết kế các thanh dàn dựa trên nội lực kéo hoặc nén lớn nhất từ bảng tổ hợp. Các thanh dàn thường được cấu tạo từ hai thép góc ghép lại. Thanh chịu kéo được kiểm tra theo điều kiện bền trên tiết diện thực (có giảm yếu do lỗ bu lông nếu có) và tiết diện nguyên. Thanh chịu nén được kiểm tra theo điều kiện ổn định, tương tự như cột. Chiều dài tính toán của thanh dàn trong và ngoài mặt phẳng dàn là khác nhau, cần được xác định chính xác. Dựa vào nội lực và chiều dài tính toán, sinh viên chọn loại thép góc phù hợp từ catalogue, sau đó kiểm tra lại điều kiện độ bền và độ mảnh cho phép. Một đề tài đồ án kết cấu thép tốt sẽ có sự lựa chọn tiết diện hợp lý, không quá nhiều loại thép góc khác nhau trong cùng một dàn để thuận tiện cho thi công.

V. Cách thực hiện chi tiết các liên kết bulong và liên kết hàn

Một đồ án kết cấu thép tại Trường Đại học Xây Dựng Miền Tây không thể hoàn chỉnh nếu thiếu phần thiết kế chi tiết liên kết. Liên kết là nơi truyền lực giữa các cấu kiện, và độ an toàn của nó ảnh hưởng đến sự ổn định của toàn bộ công trình. Có hai loại liên kết chính được sử dụng là liên kết hàn và liên kết bulong. Trong đồ án mẫu, liên kết hàn được sử dụng rộng rãi để nối các bộ phận của cột, liên kết dầm vai, và liên kết các thanh dàn vào bản mã. Việc tính toán đường hàn đòi hỏi xác định chiều cao và chiều dài đường hàn đủ để chịu lực cắt và momen tác dụng. Liên kết bulong thường được sử dụng cho các mối nối lắp ghép tại công trường, ví dụ như liên kết chân cột vào móng thông qua các bu lông neo. Việc thiết kế chi tiết chân cột là một phần rất quan trọng, bao gồm tính toán bản đế, sườn gia cường, và các bu lông neo để chịu toàn bộ nội lực (M, N, Q) từ cột truyền xuống móng. Tương tự, các mắt dàn, nơi các thanh bụng và thanh cánh quy tụ, là các chi tiết liên kết phức tạp, cần được cấu tạo và tính toán cẩn thận để đảm bảo sự truyền lực êm thuận.

5.1. Thiết kế chi tiết liên kết chân cột với móng bê tông

Liên kết chân cột với móng được thực hiện là liên kết ngàm. Cấu tạo chi tiết này bao gồm bản đế, dầm đế, các sườn gia cường và bu lông neo. Dựa vào cặp nội lực nguy hiểm nhất tại chân cột, ứng suất dưới bản đế được tính toán. Bản đế phải đủ rộng để đảm bảo ứng suất này không vượt quá cường độ chịu nén của bê tông móng (Rb). Chiều dày bản đế được xác định từ điều kiện chịu uốn như một tấm console. Các liên kết hàn được sử dụng để nối nhánh cột, dầm đế và sườn gia cường vào bản đế. Bu lông neo được tính toán để chịu lực kéo phát sinh do momen uốn, đảm bảo chân cột không bị nhổ khỏi móng. Đây là một trong những cấu kiện quan trọng nhất, đảm bảo sự ổn định của toàn bộ khung ngang.

5.2. Cấu tạo và tính toán các mắt dàn vì kèo điển hình

Mắt dàn là nơi liên kết các thanh dàn lại với nhau thông qua bản mã. Trục của các thanh phải đồng quy tại một điểm để tránh phát sinh momen phụ. Liên kết giữa thanh dàn và bản mã chủ yếu là liên kết hàn. Chiều dài và chiều cao đường hàn được tính toán để chịu toàn bộ nội lực trong thanh. Ví dụ, tại nút gối tựa, bản mã phải đủ lớn để bố trí các đường hàn cho thanh cánh trên, cánh dưới và thanh bụng đầu tiên. Ngoài ra, bản mã này còn được hàn vào sườn gối, và sườn gối được liên kết vào cột. Tại các nút có sự thay đổi tiết diện thanh cánh, cần có bản ghép nối để đảm bảo sự truyền lực liên tục. Việc vẽ chi tiết các mắt dàn trong bản vẽ CAD kết cấu thép đòi hỏi sự chính xác và tuân thủ các quy tắc cấu tạo.