Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình công nghiệp, kết cấu thép đóng vai trò chủ đạo đối với các nhà xưởng có nhịp lớn, chiều cao thông thủy cao và chịu tải trọng động lớn từ hệ thống thiết bị nâng chuyển. Đồ án môn học "Kết cấu thép" (học phần Đồ án kết cấu thép 2) do sinh viên Cao Phước Trung thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Doãn Nội tại Khoa Xây dựng – Trường Đại học Xây dựng Miền Tây (năm học 2021-2022) tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho khung ngang chịu lực của nhà xưởng công nghiệp một tầng, một nhịp bằng thép.
Bối cảnh thực tiễn của đồ án xuất phát từ yêu cầu xây dựng một nhà xưởng công nghiệp khẩu độ lớn phục vụ sản xuất, đòi hỏi hệ thống kết cấu phải đáp ứng đồng thời khả năng chịu lực của mái nặng panen bê tông cốt thép, tải trọng gió vùng ven biển và hoạt động liên tục của hai cầu trục sức nâng lớn.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định theo các bước kỹ thuật tuần tự:
- Xác định các kích thước hình học chính của khung ngang nhà xưởng theo cả phương đứng và phương ngang dựa trên thông số công nghệ của cầu trục và kích thước không gian kiến trúc.
- Bố trí hệ giằng không gian cho toàn bộ nhà xưởng nhằm bảo đảm độ cứng bất biến hình và độ ổn định tổng thể cho công trình trong giai đoạn thi công cũng như sử dụng.
- Xác định toàn bộ các loại tải trọng tác dụng lên khung ngang, bao gồm tĩnh tải thường xuyên, hoạt tải sửa chữa mái, tải trọng đứng và lực hãm ngang do cầu trục gây ra, cùng tải trọng gió tĩnh.
- Thiết lập sơ đồ tính toán phẳng, tiến hành tổ hợp nội lực theo các trường hợp tổ hợp cơ bản và ứng dụng phần mềm ETAB để phân tích, tìm ra các cặp nội lực nguy hiểm nhất.
- Thiết kế và kiểm tra tiết diện cột thép đặc tổ hợp hàn (cột trên và cột dưới) về điều kiện cường độ, ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng uốn, cùng ổn định cục bộ của các bản thành phần.
- Thiết kế dàn vì kèo mái dạng hình thang bằng thép góc ghép đôi, tính toán chi tiết các liên kết nút dàn, dầm vai, mối nối cột và chân cột ngàm với móng bê tông cốt thép.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Khung ngang chịu lực chính, kết cấu cột thép phân đoạn, dàn vì kèo mái thép hình thang và các chi tiết nút liên kết của nhà xưởng công nghiệp.
- Phạm vi không gian và thông số thiết kế: Nhà xưởng 1 tầng, 1 nhịp có nhịp khung $L = 33\text{ m}$, tổng chiều dài nhà $153\text{ m}$ (khối nhiệt độ khảo sát $72\text{ m}$ gồm 12 bước cột $B = 6\text{ m}$), cao trình đỉnh ray $+9,1\text{ m}$. Trang bị 2 cầu trục 2 móc cẩu với sức nâng $Q = 500/100\text{ kN}$ ($50/10\text{ tấn}$), chế độ làm việc trung bình. Địa điểm xây dựng thuộc vùng áp lực gió II-A, dạng địa hình C.
- Phạm vi vật liệu: Thép kết cấu CCT34 ($f = 21\text{ kN/cm}^2$, $E = 21\times 10^3\text{ kN/cm}^2$), thép CCT38 ($f = 24,5\text{ kN/cm}^2$), thép CCT42, que hàn N50, bu lông neo mác thép 16MnSi và bê tông móng cấp độ bền B20 ($R_b = 1,15\text{ kN/cm}^2$).
- Thời gian và địa điểm thực hiện: Tháng 7 năm 2022, tại Thành phố Vĩnh Long.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết cơ học kết cấu, lý thuyết tính toán kết cấu thép theo phương pháp trạng thái giới hạn và hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam:
- TCVN 2737:1995 (Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế): Cung cấp phương pháp xác định hoạt tải sửa chữa mái ($P_{tc} = 30\text{ daN/m}^2$, hệ số vượt tải $n = 1,3$), áp lực gió tiêu chuẩn vùng II-A ($W_0 = 0,83\text{ kN/m}^2$), hệ số khí động $c_e$, hệ số suy giảm áp lực gió theo độ cao $k$ ứng với địa hình C, hệ số vượt tải gió $n = 1,2$, cùng các nguyên tắc thiết lập tổ hợp tải trọng cơ bản I và tổ hợp cơ bản II.
- TCVN 5575:2012 (Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế): Quy định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu thép (CCT34, CCT38, CCT42), cường độ tính toán của đường hàn đối đầu ($f_{wc}$), đường hàn góc ($f_{wf}, f_{ws}$), bu lông liên kết; cung cấp công thức và bảng tra hệ số uốn dọc ($\varphi$), hệ số ảnh hưởng độ lệch tâm ($\eta, \varphi_e$), điều kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn ($x-x$), ngoài mặt phẳng uốn ($y-y$) và điều kiện ổn định cục bộ của bản cánh, bản bụng cấu kiện nén uốn.
- Catalog thiết bị nâng (Bảng F5 - Cataloge cầu trục): Cung cấp các thông số kỹ thuật thực tế của cầu trục sức nâng $50/10\text{ tấn}$: bề rộng cầu trục $B_c = 6650\text{ mm}$, khoảng cách hai bánh xe $K = 5250\text{ mm}$, chiều cao dầm cầu trục $H_{ct} = 3150\text{ mm}$, phần đưa ra ngoài ray $B_1 = 300\text{ mm}$, áp lực bánh xe lớn nhất $P_{\max} = 515\text{ kN}$ và nhỏ nhất $P_{\min} = 155\text{ kN}$, lực hãm ngang xe con $T_c = 17\text{ kN}$.
Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế:
- Phương pháp giải tích kỹ thuật: Tính toán xác định tải trọng phân bố, phản lực gối tựa, đường ảnh hưởng áp lực cầu trục và nội lực cục bộ tại các chi tiết nút.
- Phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình hóa số: Khung ngang được mô hình hóa thành hệ thanh phẳng trong phần mềm ETAB. Giả thiết rường ngang có độ cứng tương đương và được coi là cứng vô cùng ($I_d = \infty$) khi chịu các tải trọng ngang không đặt trực tiếp lên dàn mái.
- Phương pháp kiểm tra theo trạng thái giới hạn 1 (khả năng chịu lực): Thực hiện qua quy trình giả thiết tiết diện sơ bộ $\rightarrow$ xác định đặc trưng hình học $\rightarrow$ kiểm tra ứng suất pháp, ứng suất tiếp $\rightarrow$ kiểm tra ổn định tổng thể hai phương $\rightarrow$ kiểm tra ổn định cục bộ và bố trí sườn tăng cường.
Nội dung chính theo từng phần tính toán
Phần I. Tính toán chung và xác định kích thước hình học khung ngang
Phần này xác định toàn bộ thông số kích thước cơ bản của khung ngang và thiết lập sơ đồ hệ giằng không gian cho công trình. Nhịp cầu trục được xác định là $L_{ct} = L - 2\lambda = 33 - 2\times 0,75 = 31,5\text{ m}$. Các kích thước hình học theo phương đứng được tính toán chi tiết:
- Chiều cao từ đỉnh ray đến đáy xà ngang: $H_2 = H_{ct} + 100\text{ mm} + f = 3150 + 100 + 350 = 3600\text{ mm} = 3,6\text{ m}$.
- Chiều cao sử dụng từ mặt nền đến đáy vì kèo: $H_{sd} = H_1 + H_2 = 9,1 + 3,6 = 12,7\text{ m}$.
- Chiều cao cột trên (tính từ vai đỡ dầm cầu trục đến đáy vì kèo): $H_t = H_2 + H_{dc} + H_r = 3600 + 1000 + 200 = 4800\text{ mm} = 4,8\text{ m}$ (với chiều cao dầm cầu trục $H_{dc} = 1000\text{ mm}$, ray và đệm ray $H_r = 200\text{ mm}$).
- Chiều cao cột dưới (từ mặt móng đến mặt cắt thay đổi tiết diện): $H_d = H_{sd} - H_t + H_3 = 12,7 - 4,8 + 1,0 = 8,9\text{ m}$ (với chiều sâu chôn cột dưới mặt nền $H_3 = 1,0\text{ m}$).
- Chiều cao toàn bộ cột: $H = H_t + H_d = 4,8 + 8,9 = 13,7\text{ m}$. Chiều cao đầu dàn $H_0 = 2,2\text{ m}$, độ dốc mái $i = 1/10$, chiều cao đỉnh mái $H_m = 3,85\text{ m}$.
Theo phương ngang, bề rộng tiết diện cột trên được chọn $h_t = 500\text{ mm} = 0,5\text{ m}$, khoảng cách trục định vị cách mép ngoài cột $a = 0,25\text{ m}$, khoảng hở an toàn cầu trục $D = 60 \div 75\text{ mm}$. Bề rộng tiết diện cột dưới được chọn $h_d = 1000\text{ mm} = 1,0\text{ m}$. Hệ giằng nhà được bố trí đầy đủ bao gồm: hệ giằng cánh trên (tại 2 đầu hồi và giữa khối nhiệt độ cách nhau $50 \div 60\text{ m}$), hệ giằng cánh dưới, hệ giằng đứng giữa các dàn vì kèo và hệ giằng cột dọc theo chiều dài nhà.
Phần II. Tính toán khung ngang
Nội dung trọng tâm của phần này là xác định các trường hợp tải trọng tác dụng, lập ma trận tổ hợp và phân tích nội lực khung bằng phần mềm ETAB.
Tĩnh tải tác dụng lên mái bao gồm các lớp panen BTCT được tổng hợp theo bảng sau:
| STT |
Thành phần lớp cấu tạo mái |
Tải trọng tiêu chuẩn ($\text{daN/m}^2$) |
Hệ số vượt tải $n$ |
Tải trọng tính toán ($\text{daN/m}^2$) |
| 1 |
Tấm mái panen ($1,5\times 6\text{ m}$) |
150 |
1,1 |
165,0 |
| 2 |
Lớp cách nhiệt bê tông xỉ dày 15 cm |
120 |
1,2 |
144,0 |
| 3 |
Bê tông chống thấm dày 4 cm |
100 |
1,1 |
110,0 |
| 4 |
Lớp vữa xi măng lót dày 1,5 cm |
27 |
1,3 |
35,1 |
| 5 |
Hai lớp gạch lá nem dày 4 cm |
80 |
1,1 |
88,0 |
| Tổng |
Tổng tải trọng các lớp mái |
477 |
— |
542,1 |
Tải trọng bản thân kết cấu mái và hệ giằng được tính toán đạt $0,348\text{ kN/m}^2$. Tải trọng do cầu trục gồm: áp lực đứng lớn nhất/nhỏ nhất truyền qua đường ảnh hưởng gối tựa kết hợp trọng lượng dầm cầu trục ($P_{\max} = 515\text{ kN}, P_{\min} = 155\text{ kN}$, hệ số tổ hợp $k_{th} = 0,85$), tạo ra momen lệch tâm tại vai cột; lực hãm ngang xe con $T = 17\text{ kN}$ đặt tại cao trình dầm hãm. Tải trọng gió tĩnh tác dụng lên cột đón gió tại cao trình $+10\text{ m}$ là $q_1 = 4,733\text{ kN/m}$, tại $+13,05\text{ m}$ là $q_2 = 5,083\text{ kN/m}$; gió tác dụng lên dàn gồm gió đẩy $W = 6,196\text{ kN}$ và gió hút $W' = -11,608\text{ kN}$.
Tác giả thiết lập 19 tổ hợp tải trọng (COMB1 đến COMB5 thuộc tổ hợp cơ bản I; COMB6 đến COMB19 thuộc tổ hợp cơ bản II với hệ số 0,9 cho hoạt tải đi kèm) và đường bao nội lực BAO. Kết quả phân tích lọc nội lực nguy hiểm nhất tại cột bên phải:
- Cột trên: $M = -280,18\text{ kNm}$ (hoặc $-280,31\text{ kNm}$), lực cắt $Q$ và lực dọc $N$ tương ứng.
- Cột dưới: Cặp nội lực nguy hiểm nhất có $M = 592,22\text{ kNm}$, lực nén cực đại đạt $N_{\max} = -1223,53\text{ kN}$ (với $M_{tu} = 162,25\text{ kNm}, Q_{tu} = 1073,76\text{ kN}$).
Phần III. Thiết kế tiết diện cột và chi tiết cấu tạo
Phần III thực hiện tính toán chi tiết kích thước tiết diện và kiểm tra an toàn chịu lực cho từng đoạn cột:
- Cột trên (tiết diện chữ I đối xứng tổ hợp hàn): Kích thước hình học $h_t = 400\text{ mm}$ (hoặc $500\text{ mm}$), bản cánh $b_f = 300\text{ mm}, t_f = 16\text{ mm}$, bản bụng $h_w = 368\text{ mm}, t_w = 8\text{ mm}$. Chiều dài tính toán trong mặt phẳng uốn $l_x$ và ngoài mặt phẳng $l_y = 4,4\text{ m}$. Cột thỏa mãn điều kiện bền ứng suất pháp, điều kiện ổn định tổng thể theo phương $x-x$ ($\varphi_e = 0,207$), ổn định theo phương $y-y$ ($\varphi_y = 0,842, \lambda_y = 51,6 < [\lambda] = 120$) và bảo đảm ổn định cục bộ bản cánh, bản bụng. Sườn ngang tăng cường được bố trí gồm 4 khoảng cách đều $0,9\text{ m}$, quy cách $b_s = 60\text{ mm}, t_s = 10\text{ mm}$.
- Cột dưới (tiết diện chữ I không đối xứng tổ hợp hàn): Chiều cao tiết diện $h_d = 1000\text{ mm}$, bản bụng $h_w = 975,85\text{ mm}, t_w = 18\text{ mm}$, bản cánh ngoài $b_{f2} = 400\text{ mm}, t_{f2} = 20\text{ mm}$, nhánh cầu trục sử dụng thép chữ I cán nóng số hiệu N040 ($b_{f1} = 155\text{ mm}, t_{w1} = 8,3\text{ mm}$). Kiểm tra ổn định tổng thể đạt $\varphi_e = 0,288$ theo phương $x-x$ và $\varphi_y = 0,756$ ($\lambda_y = 68,87$) theo phương $y-y$. Sườn ngang bố trí 3 khoảng cách đều $2,0\text{ m}$, quy cách $b_s = 100\text{ mm}, t_s = 10\text{ mm}$.
- Chi tiết liên kết vai cột và chân cột:
- Mối nối cột trên với cột dưới tại cao trình dầm vai: Cánh ngoài hàn đối đầu trực tiếp ($t = 1,6\text{ cm}, l_w = 26,8\text{ cm}$), cánh trong liên kết thông qua bản thép K lồng vào bụng dầm vai bằng 4 đường hàn góc.
- Chân cột liên kết ngàm với móng bê tông B20: Kích thước bản đế $L = 160\text{ cm}, B = 40\text{ cm}$, chiều dày chọn chung $t = 30\text{ mm}$ (hoặc $40\text{ mm}$) dựa trên tính toán uốn 4 ô bản kê. Dầm đế có chiều cao $h_d = 52\text{ cm}$, kết hợp sườn ngăn A ($h_A = 30\text{ cm}, t_A = 10\text{ mm}$) và sườn công-xôn B ($h_B = 36\text{ cm}, t_B = 10\text{ mm}$). Bu lông neo sử dụng mác thép 16MnSi đường kính $d = 36\text{ mm}$ ($A_{bn} = 8,16\text{ cm}^2$).
Thiết kế dàn vì kèo và cấu tạo nút dàn
Dàn mái vì kèo hình thang có độ dốc cánh trên $1/10$, chiều cao đầu dàn $H_0 = 2,2\text{ m}$, bước cột $B = 6\text{ m}$. Nội lực trong các thanh dàn được tính toán qua 6 trường hợp tác dụng (tĩnh tải, hoạt tải nửa dàn trái, nửa dàn phải, hoạt tải toàn dàn, kết hợp các cặp momen đầu dàn $M_{\min}, M_{tu}$ truyền từ cột trên). Bản mã nút dàn sử dụng chiều dày $t_{bm} = 12\text{ mm}$ ứng với lực nén lớn nhất thanh bụng $N_{\max} = -589,3\text{ kN}$.
Kết quả lựa chọn tiết diện các thanh dàn và kiểm tra khả năng chịu lực:
- Thanh cánh thượng (cánh trên): Chịu nén lớn nhất $N = -643,97\text{ kN}$ (thanh D6), chọn tiết diện thép góc không đều cạnh ghép đôi theo cạnh ngắn $2\text{L }200\times 150\times 12$. Chiều dài tính toán $l_x = 452,2\text{ cm}, l_y = 226,1\text{ cm}$; kiểm tra độ mảnh $\lambda_x, \lambda_y < [\lambda] = 120$ và bảo đảm ổn định chịu nén.
- Thanh cánh hạ (cánh dưới): Chịu kéo lớn nhất $N = +676,26\text{ kN}$ (thanh B2), chọn thép góc không đều cạnh ghép đôi theo cạnh dài $2\text{L }120\times 80\times 8$, bảo đảm điều kiện cường độ chịu kéo.
- Thanh bụng xiên: Chịu nén lớn nhất $N = -589,3\text{ kN}$ (thanh D1), chọn thép góc đều cạnh ghép đôi $2\text{L }150\times 150\times 12$.
- Thanh bụng đứng: Chịu nén lớn nhất $N = -149,52\text{ kN}$ (thanh C2-1), chọn thép góc đều cạnh ghép đôi $2\text{L }70\times 70\times 7$.
Cấu tạo chi tiết các nút mắt dàn chính:
- Nút dưới đầu dàn (Nút A): Truyền phản lực gối tựa $R_A = 418,635\text{ kN}$ và lực xô ngang $H_{\max} = 127,414\text{ kN}$. Sườn gối có tiết diện $250\times 20\text{ mm}$ liên kết với cột qua 8 bu lông $d = 20\text{ mm}$, gối đỡ thép kích thước $260\times 350\times 30\text{ mm}$.
- Nút trên đầu dàn (Nút B): Bản mắt $550\times 280\times 12\text{ mm}$, sườn gối $550\times 260\times 20\text{ mm}$, liên kết vào cột bằng 8 bu lông nhóm 5.8 đường kính $d = 20\text{ mm}$ chịu lực nhổ do momen đầu dàn gây ra.
- Nút trung gian không nối cánh (Nút C): Liên kết thanh cánh thượng và các thanh xiên D1, D3 bằng các đường hàn góc có chiều cao $h_f = 8\text{ mm}$, chiều dài đường hàn sống $l_{ws} = 15 \div 20\text{ cm}$ và đường hàn mép $l_{wm} = 6 \div 9\text{ cm}$.
- Nút nối cánh hạ (Nút F): Bố trí bản ghép đáy $120\times 8\text{ mm}$ để nối chuyển tiếp giữa thanh B1 ($N = 430,6\text{ kN}$) và B2 ($N = 676,26\text{ kN}$), kết hợp hàn liên kết thanh đứng C2-1 và các thanh xiên D3, D5.
- Nút đỉnh dàn (Nút E): Nút khuếch đại lắp ghép tại công trường, sử dụng bản ghép đỉnh tiết diện $500\times 12\text{ mm}$, bản nối đứng $200\times 12\text{ mm}$ cùng hệ bu lông cấu tạo $d = 20\text{ mm}$ và đường hàn góc $h_f = 8\text{ mm}$.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã hoàn thành trọn vẹn toàn bộ hồ sơ thuyết minh tính toán và giải pháp cấu tạo kỹ thuật cho kết cấu khung ngang nhà xưởng công nghiệp. Các kết quả cụ thể được tổng hợp trong bảng số liệu kỹ thuật:
| Bộ phận kết cấu |
Loại tiết diện / Quy cách chọn |
Thông số nội lực nguy hiểm |
Kết quả kiểm tra chính |
| Cột trên |
Thép chữ I tổ hợp hàn ($h_t = 400\text{ mm}, b_f = 300\text{ mm}$) |
$M = -280,18\text{ kNm}$ |
Thỏa mãn bền, $\varphi_e = 0,207; \varphi_y = 0,842$ |
| Cột dưới |
Chữ I không đối xứng ($h_d = 1000\text{ mm}$, nhánh ray I N040) |
$M = 592,22\text{ kNm}, N = -1223,53\text{ kN}$ |
Thỏa mãn bền, $\varphi_e = 0,288; \varphi_y = 0,756$ |
| Bản đế chân cột |
Thép bản $1600\times 400\times 30\text{ mm}$ |
Lực nén chân cột $N_{\max}$, bu lông neo mác 16MnSi |
Ứng suất đáy móng $\sigma \le R_b = 1,15\text{ kN/cm}^2$ |
| Cánh trên dàn |
$2\text{L }200\times 150\times 12$ |
$N_{\max} = -643,97\text{ kN}$ (chịu nén) |
Độ mảnh $\lambda < [\lambda] = 120$, ổn định uốn dọc |
| Cánh dưới dàn |
$2\text{L }120\times 80\times 8$ |
$N_{\max} = +676,26\text{ kN}$ (chịu kéo) |
Đảm bảo cường độ chịu kéo thuần túy |
| Thanh xiên dàn |
$2\text{L }150\times 150\times 12$ |
$N_{\max} = -589,30\text{ kN}$ (chịu nén) |
Độ mảnh $\lambda < [\lambda] = 150$, thỏa mãn ổn định |
| Thanh đứng dàn |
$2\text{L }70\times 70\times 7$ |
$N_{\max} = -149,52\text{ kN}$ (chịu nén) |
Thỏa mãn độ mảnh và ổn định chịu nén |
| Liên kết nút A, B |
Sườn gối $t = 20\text{ mm}$, bu lông $8\text{d}20$ |
Phản lực $R_A = 418,6\text{ kN}, H_{\max} = 127,4\text{ kN}$ |
Thỏa mãn khả năng cắt, ép mặt và nhổ bu lông |
Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:
- Sử dụng giải pháp phân đoạn cột: đoạn cột trên dùng tiết diện chữ I đối xứng tối ưu hóa theo momen uốn gió và dàn truyền xuống; đoạn cột dưới sử dụng tiết diện bất đối xứng kết hợp dầm chữ I cán nóng N040 làm nhánh cầu chạy, giúp tăng độ cứng và khả năng chịu tải trọng thẳng đứng rất lớn từ bánh xe cầu trục ($P_{\max} = 515\text{ kN}$).
- Thiết kế hệ nút liên kết chân cột dạng ngàm cứng với móng thông qua dầm đế, sườn ngăn và hệ thống bu lông neo đường kính lớn $d = 36\text{ mm}$, bảo đảm độ cứng ngang của khung nhà công nghiệp khi không có tường chịu lực.
- Lựa chọn tiết diện thanh dàn bằng thép góc ghép đôi hình chữ thập và chữ T ngược, kết hợp các đường hàn góc chiều cao $h_f = 8\text{ mm}$ và bản mã dày $12\text{ mm}$, vừa bảo đảm tính đối xứng chịu lực vừa thuận lợi cho việc chế tạo trong xưởng và lắp dựng tại hiện trường.
Đóng góp về mặt kỹ thuật của đồ án thể hiện ở việc áp dụng quy trình tính toán chuẩn mực kết hợp giữa phần mềm phân tích kết cấu ETAB và các bước kiểm tra tiết diện giải tích chi tiết theo đúng tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 và TCVN 2737:1995, tạo nên bộ tài liệu tính toán đồng bộ từ tổng thể khung đến từng đường hàn, bu lông liên kết.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế kỹ thuật dựa trên phạm vi thực hiện của đồ án:
- Phân tích nội lực mới dừng lại ở mô hình khung phẳng hai chiều (2D), chưa xét đến sự làm việc không gian tổng thể đồng thời của toàn bộ các khung ngang liên kết qua hệ giằng dọc và tấm lợp mái.
- Giả thiết tính toán xem dàn vì kèo là thanh đặc tương đương có độ cứng vô cùng ($I_d = \infty$) khi chịu tải trọng ngang là giả thiết gần đúng, có thể tạo ra sai lệch nhỏ về phân bố momen tại nút vai cột so với mô hình dàn thanh biến dạng đàn hồi thực tế.
- Chưa khảo sát các tổ hợp tải trọng đặc biệt như tải trọng động đất, tải trọng nhiệt độ hoặc tải trọng do cháy nổ trong nhà xưởng.
Hướng nghiên cứu và phát triển mở rộng:
- Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn không gian 3D toàn diện cho nhà xưởng để đánh giá chính xác sự phân phối tải trọng cầu trục sang các khung lân cận thông qua dầm cầu trục và hệ giằng.
- Ứng dụng các thuật toán tối ưu hóa kết cấu nhằm giảm thiểu khối lượng thép tiêu hao của dàn vì kèo và cột thép mà vẫn đảm bảo đầy đủ các điều kiện an toàn theo tiêu chuẩn.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo thực tiễn cao cho:
- Sinh viên chuyên 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 Kết cấu nhà công nghiệp hoặc Khóa luận tốt nghiệp kỹ sư xây dựng.
- Kỹ sư thiết kế kết cấu tại các đơn vị tư vấn thiết kế nhà thép tiền chế: Tham khảo quy trình tổ hợp tải trọng cầu trục, phương pháp xác định đường ảnh hưởng bánh xe, quy trình kiểm tra ổn định tổng thể cho cột tiết diện thay đổi và cấu tạo các nút liên kết dàn mái khẩu độ lớn ($33\text{ m}$).
- Các phần có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất: Bảng tính chi tiết áp lực gió theo TCVN 2737:1995 trên địa hình C; quy trình kiểm tra ổn định cột nén lệch tâm theo hai phương trong TCVN 5575:2012; và phương pháp tính toán bản đế chân cột chịu nén uốn lớn bằng phương pháp phân chia ô bản kê.
Câu hỏi thường gặp
1. Thông số sức nâng cầu trục và chế độ làm việc trong đồ án được quy định như thế nào?
Đồ án thiết kế cho nhà xưởng trang bị 2 cầu trục với 2 móc cẩu, sức nâng $Q = 500/100\text{ kN}$ ($50/10\text{ tấn}$), chế độ làm việc trung bình. Áp lực bánh xe lớn nhất và nhỏ nhất tra từ Catalog cầu trục lần lượt là $P_{\max} = 515\text{ kN}$ và $P_{\min} = 155\text{ kN}$, lực hãm ngang của xe con là $T = 17\text{ kN}$.
2. Vật liệu thép và bê tông được lựa chọn sử dụng trong tính toán công trình gồm những loại nào?
Vật liệu kết cấu chính là thép CCT34 có cường độ tính toán $f = 21\text{ kN/cm}^2$, mô đun đàn hồi $E = 21\times 10^3\text{ kN/cm}^2$; thép CCT38 ($f = 24,5\text{ kN/cm}^2$) và CCT42; que hàn thủ công loại N50; bu lông neo mác thép 16MnSi; bê tông móng cấp độ bền B20 có cường độ chịu nén tính toán $R_b = 1,15\text{ kN/cm}^2$.
3. Quy cách tiết diện của các thanh chính trong dàn vì kèo mái được chọn là bao nhiêu?
Thanh cánh thượng chịu nén lớn nhất sử dụng thép góc đôi $2\text{L }200\times 150\times 12$; thanh cánh hạ chịu kéo sử dụng $2\text{L }120\times 80\times 8$; thanh bụng xiên lớn nhất sử dụng $2\text{L }150\times 150\times 12$; thanh bụng đứng sử dụng $2\text{L }70\times 70\times 7$. Bản mã liên kết giữa các thanh dàn dày $t_{bm} = 12\text{ mm}$.
4. Kích thước và giải pháp cấu tạo của bản đế chân cột ngàm với móng được thiết kế ra sao?
Bản đế chân cột có kích thước mặt bằng $L = 160\text{ cm} \times B = 40\text{ cm}$, chiều dày $t = 30\text{ mm}$ (hoặc $40\text{ mm}$), dầm đế cao $h_d = 52\text{ cm}$, kết hợp hệ sườn ngăn A cao $30\text{ cm}$ và sườn công-xôn B cao $36\text{ cm}$. Chân cột được neo giữ vào móng bằng hệ bu lông neo mác 16MnSi đường kính $d = 36\text{ mm}$ ($A_{bn} = 8,16\text{ cm}^2$).
5. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để xác định tải trọng gió và các hệ số khí động tương ứng?
Tải trọng gió được xác định theo TCVN 2737:1995 ứng với vùng áp lực gió II-A ($W_0 = 0,83\text{ kN/m}^2$), dạng địa hình C. Các hệ số khí động gồm $c_e = +0,8$ ở phía đón gió, $c_{e1} = -0,4973$, $c_{e2} = -0,4$, $c_{e3} = -0,5$ ở phía hút gió và mái dốc.
Kết luận
Đồ án "Kết cấu thép" của sinh viên Cao Phước Trung là một công trình thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh và bài bản về kết cấu khung ngang nhà xưởng công nghiệp một nhịp bằng thép chịu tải trọng cầu trục nặng $50/10\text{ tấn}$. Nghiên cứu đã thực hiện chuẩn xác từ khâu xác định kích thước hình học, phân tích tải trọng, mô hình hóa nội lực trên phần mềm ETAB đến kiểm tra an toàn chịu lực của cột đặc tổ hợp hàn và dàn vì kèo hình thang theo đúng các tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 và TCVN 5575:2012. Hồ sơ tính toán cung cấp đầy đủ các giải pháp cấu tạo nút liên kết khả thi, thể hiện tính ứng dụng cao và là tài liệu tham khảo có giá trị trong đào tạo kỹ sư xây dựng công trình.
