Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật xây dựng công trình công nghiệp, kết cấu thép dạng khung Zamil (khung thép nhẹ tiết diện thay đổi) một tầng, một nhịp có trang bị cầu trục là giải pháp kết cấu phổ biến nhờ khả năng vượt nhịp lớn, tối ưu hóa vật liệu và thời gian thi công nhanh. Đồ án môn học Kết cấu thép (Mã học phần: CN522) tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Bách Khoa – Đại học Cần Thơ do sinh viên Lý Tuấn Kiệt thực hiện (CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hoàng Anh, hoàn thành ngày 08/05/2024) tập trung vào việc tính toán, thiết kế toàn diện khung thép nhà công nghiệp theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được xác định cụ thể theo mã đề S1H1B3L4Q5 với hệ thống nhiệm vụ gồm:

  1. Tiếp nhận và phân tích số liệu kỹ thuật đầu vào theo mã đề thiết kế.
  2. Tra cứu catalogue, lựa chọn thông số hình học và tải trọng của cầu trục chế độ làm việc trung bình.
  3. Xác định kích thước hình học chính của khung ngang và chọn sơ bộ tiết diện các cấu kiện (cột, xà ngang, cửa trời).
  4. Thiết kế hệ kết cấu phụ trợ và bao che: tấm tôn mái, hệ xà gồ C250, hệ sườn tường C250.
  5. Thiết kế và bố trí hệ giằng không gian (hệ giằng mái, hệ giằng cột, thanh chống dọc).
  6. Xác định các loại tải trọng tác dụng lên khung ngang (tĩnh tải, hoạt tải sửa chữa mái, tải trọng gió, áp lực đứng và lực hãm ngang cầu trục) và thiết lập các tổ hợp tải trọng.
  7. Mô hình hóa kết cấu, phân tích nội lực và kiểm tra tiết diện cột, xà ngang, cột cửa trời theo điều kiện bền, ổn định tổng thể, ổn định cục bộ.
  8. Thiết kế chi tiết các nút liên kết (vai cột, chân cột liên kết ngàm, liên kết nách cột - xà, nối xà ngang, đỉnh xà, liên kết cửa trời).
  9. Kiểm tra chuyển vị ngang tại đỉnh cột của khung dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng bất lợi nhất.
  10. Thể hiện hồ sơ thiết kế gồm thuyết minh tính toán khổ A4 và bản vẽ kỹ thuật trên khổ giấy A1 (2 khung, hệ giằng, chi tiết cấu tạo).

Phạm vi nghiên cứu và thiết kế giới hạn trong công trình nhà công nghiệp một tầng, một nhịp gồm 17 bước cột ($n = 17$), nhịp khung $L = 27\text{ m}$, bước cột $B = 5\text{ m}$, cao trình đỉnh ray $H_1 = 8\text{ m}$, sức nâng cầu trục $Q = 12,5\text{ T}$, xây dựng tại địa bàn TP. Cần Thơ (vùng áp lực gió II-B, dạng địa hình B).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án vận dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng Việt Nam và các phương pháp cơ học kết cấu:

  • Hệ thống tiêu chuẩn thiết kế và tải trọng:
    • TCVN 5575:2012: Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế (tính toán cường độ, ổn định tổng thể trong/ngoài mặt phẳng, ổn định cục bộ bản cánh/bản bụng, liên kết bu lông và đường hàn).
    • TCVN 2737:2023: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế (xác định tĩnh tải, hoạt tải mái khu vực H, tải trọng gió theo mô hình vận tốc 3s chu kỳ lặp 10 năm kết hợp hệ số hiệu ứng giật $G_f$ và hệ số khí động $c_e$, hoạt tải cầu trục và hệ số tổ hợp).
    • TCVN 5574:2018: Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép (tính toán cường độ chịu nén cục bộ móng dưới bản đế chân cột).
    • TCVN 1916:1995: Bu lông, đai ốc và vòng đệm – Yêu cầu kỹ thuật.
    • TCVN 3223:1994: Que hàn điện dùng cho thép cacbon và thép hợp kim thấp.
  • Phương pháp tính toán:
    • Phương pháp giải tích và cơ học kết cấu truyền thống: Áp dụng sơ đồ dầm liên tục/dầm đơn giản để tính toán tấm tôn lợp, xà gồ chịu uốn xiên hai phương và dầm sườn tường; sử dụng phương pháp đường ảnh hưởng phản lực gối tựa dầm cầu trục để tìm giá trị áp lực đứng lớn nhất ($D_{max}$), nhỏ nhất ($D_{min}$) và lực hãm ngang tiêu chuẩn ($T_1$).
    • Phương pháp phần tử hữu hạn: Sử dụng phần mềm ETABS để mô hình hóa khung phẳng 2D, gán tiết diện thay đổi (Non-prismatic frame element), chất tải và tổ hợp nội lực tự động nhằm xác định bao nội lực ($M, N, V$) và chuyển vị ngang đỉnh khung.
  • Thông số vật liệu sử dụng:
    • Thép kết cấu: Mác CCT34 có cường độ tiêu chuẩn $f_y = 220\text{ MPa}$, cường độ tính toán chịu kéo/nén/uốn $f = 210\text{ MPa}$, cường độ kéo đứt $f_u = 340\text{ MPa}$, mô đun đàn hồi $E_s = 2,1 \times 10^5\text{ MPa}$.
    • Que hàn: N42 (hoặc N42-6B) hàn tay có cường độ kéo đứt tiêu chuẩn $f_{wun} = 410\text{ MPa}$, cường độ tính toán mối hàn góc $f_{wf} = 180\text{ MPa}$.
    • Bu lông liên kết: Cấp độ bền $\ge 4.6$; bu lông neo dùng thép mác CT38 có cường độ tính toán chịu kéo $f_{ba} = 150\text{ MPa}$.
    • Bê tông móng: Cấp độ bền B20 có cường độ tính toán chịu nén $R_b = 1,15\text{ kN/cm}^2$ ($11,5\text{ MPa}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Số liệu tính toán và nhiệm vụ thiết kế

Chương này công bố toàn bộ thông số đầu vào của đồ án theo mã đề S1H1B3L4Q5: nhà công nghiệp một tầng 17 bước cột, nhịp khung ngang $L = 27\text{ m}$, bước cột $B = 5\text{ m}$, sức nâng cầu trục móc mềm $Q = 12,5\text{ T}$, cao trình đỉnh ray $H_1 = 8\text{ m}$. Tác giả trình bày sơ đồ mặt bằng công trình, sơ đồ khung ngang hình học dạng Zamil và phân định tiến độ nộp bài qua 3 giai đoạn cụ thể.

Chương 2: Tiêu chuẩn thiết kế, tiêu chuẩn tải trọng và thông số vật liệu

Trình bày chi tiết các cơ sở pháp lý và công thức tính toán tải trọng theo TCVN 2737:2023. Tĩnh tải được xác định với hệ số độ tin cậy $\gamma_f = 1,05$ cho kết cấu thép. Hoạt tải sửa chữa mái khu vực H lấy giá trị tiêu chuẩn $q_{k,t} = 0,3\text{ kN/m}^2$ ($\gamma_f = 1,3$). Tải trọng gió tính theo công thức áp lực 3s chu kỳ 10 năm ($W_{3s,10} = 0,852 \times W_0$, với $W_0 = 0,95\text{ kN/m}^2$ cho vùng II), địa hình B với các hệ số thay đổi áp lực theo độ cao $k(z_e)$ và hệ số hiệu ứng giật $G_f = 0,85$ (do chu kỳ dao động riêng $T_1 \le 1\text{ s}$). Chương cũng quy định các đặc trưng cơ lý của thép CCT34, que hàn N42, bu lông liên kết và bê tông móng B20.

Chương 3: Chọn cầu trục và xác định kích thước chính của khung ngang

Từ sức nâng $Q = 12,5\text{ T}$, tác giả tra cứu catalogue chọn cầu trục có các thông số: nhịp cầu trục $L_k = 25,5\text{ m}$, chiều cao gabarit $H_k = 1140\text{ mm}$, khoảng cách an toàn $Z_{min} = 180\text{ mm}$, bề rộng $B_k = 4630\text{ mm}$, khoảng cách đáy $K_k = 3800\text{ mm}$, tổng trọng lượng $G = 13,64\text{ T}$, trọng lượng xe con $G_{xe} = 0,833\text{ T}$, áp lực bánh xe $P_{max} = 96,9\text{ kN}$, $P_{min} = 33,8\text{ kN}$.

Từ đó xác định kích thước hình học khung ngang:

  • Chiều cao từ đỉnh ray đến đáy xà: $H_2 = 1,5\text{ m}$.
  • Chiều cao cột biên tính từ mặt móng (cốt 0.000): $H = 9,5\text{ m}$.
  • Chiều cao dầm cầu trục: $H_{dct} = 0,6\text{ m}$; ray và đệm $H_{ray} = 0,2\text{ m}$.
  • Chiều cao cột trên vai: $H_t = 2,3\text{ m}$; chiều cao cột dưới vai: $H_d = 7,2\text{ m}$.
  • Độ dốc mái $i = 10%$ ($\alpha = 5^\circ 43'$); chiều cao đỉnh xà ngang $H_{đỉnh xà} = 10,85\text{ m}$.
  • Cửa trời: rộng $L_{cm} = 4\text{ m}$, chiều cao cột cửa trời $H_{cm} = 1,5\text{ m}$, cao trình đỉnh mái cửa trời đạt $12,35\text{ m}$.
  • Khoảng cách từ trục định vị đến ray: $L_1 = 0,75\text{ m}$; kiểm tra khe hở an toàn giữa cầu trục và mép trong cột đạt yêu cầu kỹ thuật.
  • Sơ bộ tiết diện: Cột khung chữ I tổ hợp không đổi I-250x550x10x8 mm; Xà ngang chia làm 2 đoạn: đoạn đầu cột dài $5\text{ m}$ vát hình nêm I-250x(550-300)x10x8 mm, đoạn giữa nhịp dài $8,5\text{ m}$ không đổi I-250x300x10x8 mm; Cột và xà cửa trời I-100x200x8x6 mm.

Chương 4: Bố trí hệ giằng, thiết kế tấm tole, xà gồ, sườn tường

  • Hệ giằng: Bố trí hệ giằng mái và giằng cột bằng thép tròn $\phi 20$ kèm tăng đơ căng tại các gian đầu hồi và gian giữa; bố trí thanh chống dọc bằng thép hình C200x90 tại đỉnh mái và đỉnh cột biên (thỏa mãn độ mảnh giới hạn $\lambda \le 200$).
  • Tấm tôn mái: Sử dụng tôn mạ kẽm Hoa Sen 7 sóng vuông, dày $0,5\text{ mm}$, khổ rộng hữu dụng $1\text{ m}$, trọng lượng $4,59\text{ kg/m}^2$. Kết quả kiểm tra điều kiện bền đạt $\sigma = 15,55\text{ kN/cm}^2 \le [\sigma] = 21\text{ kN/cm}^2$ và thỏa mãn độ võng cho phép.
  • Xà gồ mái: Dùng thép dập nguội chữ C mã hiệu C250 ($250 \times 65 \times 20 \times 3\text{ mm}$), khoảng cách bố trí $1,2\text{ m}$. Tính toán chịu uốn xiên hai phương theo sơ đồ dầm đơn giản nhịp $5\text{ m}$. Ứng suất tổng cộng $\sigma = 17,38\text{ kN/cm}^2 \le 21\text{ kN/cm}^2$; độ võng tính toán $\Delta/B = 1,7 \times 10^{-3} \le [\Delta/B] = 5 \times 10^{-3}$ ($1/200$).
  • Sườn tường: Sử dụng thép C250 tương tự xà gồ, khoảng cách thanh $1,2\text{ m}$ (riêng thanh trên cùng $1,1\text{ m}$, tổng cộng 9 thanh mỗi bên vách). Ứng suất uốn hai phương $\sigma = 8,82\text{ kN/cm}^2 \le 21\text{ kN/cm}^2$; độ võng tổng hợp $\Delta/B = 2,0 \times 10^{-3} \le 5 \times 10^{-3}$, đảm bảo an toàn chịu lực.

Chương 5: Tải trọng tác dụng lên khung ngang và tổ hợp tải trọng

Thiết lập sơ đồ tính khung phẳng liên kết ngàm tại chân cột, liên kết cứng tại nách khung và đỉnh xà. Tác giả tiến hành tính toán chi tiết từng trường hợp tải:

  • Tĩnh tải (G): Trọng lượng bản thân kết cấu do ETABS tự tính ($\gamma_f = 1,05$, dung trọng thép $78,5\text{ kN/m}^3$), tĩnh tải mái tôn + xà gồ quy về dầm xà ngang, tĩnh tải tường bao che và dầm sườn tường truyền vào cột, trọng lượng dầm cầu trục tập trung kèm mômen lệch tâm tại vai cột.
  • Hoạt tải sửa chữa mái ($Q_t$): Phân thành 3 sơ đồ chất tải: hoạt tải chất đầy, hoạt tải nửa mái trái và hoạt tải nửa mái phải ($q_{k,t} = 0,3\text{ kN/m}^2$).
  • Tải trọng gió (W): Áp dụng hệ số khí động vùng gió theo Phụ lục F TCVN 2737:2023 cho tường đứng ($c_{eD} = +0,71$, $c_{eE} = -0,33$) và mái dốc ($c_{eF} = -1,64$, $c_{eH} = -0,58$, $c_{eJ} = -0,59$, $c_{eI} = -0,63$). Xác định giá trị tính toán tải trọng gió thổi trái và gió thổi phải lên thân cột, mái chính và hệ cửa trời.
  • Tải trọng cầu trục: Sử dụng đường ảnh hưởng xác định áp lực đứng lớn nhất $D_{max}$, nhỏ nhất $D_{min}$ khi hai cầu trục hoạt động sát nhau (hệ số tổ hợp $n_c = 0,85$, hệ số độ tin cậy $\gamma_p = 1,2$). Xác định độ lệch tâm $e = L_1 = 0,75\text{ m}$ để tính mômen lệch tâm $M_{max}, M_{min}$ tại vai cột trái và phải. Lực hãm ngang $T_1$ của xe con truyền qua dầm hãm tại cao trình đỉnh ray $H_1 = 8\text{ m}$.
  • Tổ hợp tải trọng: Thiết lập tổ hợp cơ bản 1 (tĩnh tải + 1 hoạt tải) và tổ hợp cơ bản 2 (tĩnh tải + nhiều hoạt tải với các hệ số giảm tải $0,9; 0,85; 0,7$ theo tiêu chuẩn) để xuất biểu đồ bao nội lực $M_{max}, M_{min}, N_{tu}, V_{tu}$.

Chương 6: Thiết kế các cấu kiện

Thực hiện kiểm tra tiết diện các cấu kiện chịu lực chính theo TCVN 5575:2012:

  • Cột khung (I-250x550x10x8): Xác định chiều dài tính toán trong và ngoài mặt phẳng ($l_x, l_y$), kiểm tra bền theo ứng suất pháp, kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn (xét ảnh hưởng uốn - nén đồng thời), ổn định ngoài mặt phẳng và kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh ($b_0/t_f$) và bản bụng ($h_0/t_w$). Tính toán đường hàn liên kết bản cánh - bản bụng cột.
  • Xà ngang: Kiểm tra tiết diện đoạn vát $5\text{ m}$ (tiết diện thay đổi) tại vị trí nách khung và vị trí nối xà; kiểm tra tiết diện đoạn $8,5\text{ m}$ (tiết diện không đổi) tại giữa nhịp; kiểm tra tiết diện xà ngang tại chân cửa trời.
  • Cấu kiện cửa trời: Kiểm tra tiết diện cột và xà cửa trời (I-100x200x8x6) chịu nén uốn và tải trọng gió cục bộ.

Chương 7: Thiết kế các chi tiết

Tính toán chi tiết cấu tạo các nút liên kết kết cấu thép:

  • Vai cột: Tính toán dầm vai đỡ dầm cầu trục chịu phản lực tập trung $D_{max}$, kiểm tra bền uốn - cắt, ổn định cục bộ, đường hàn liên kết vai vào bản cánh cột và kiểm tra độ võng dầm vai.
  • Chân cột liên kết ngàm: Thiết kế kích thước bản đế, tính toán dầm đế, các sườn tăng cường bản cánh và sườn bản bụng, tính toán số lượng và đường kính bu lông neo chịu kéo do mômen uốn chân cột, đường hàn chân cột vào bản đế.
  • Nút liên kết nách cột - xà ngang: Tính toán mặt bích liên kết, bố trí bu lông cường độ chịu kéo/cắt, đường hàn liên kết thân cấu kiện vào mặt bích.
  • Nút nối xà ngang và nút đỉnh xà: Thiết kế liên kết nối xà ở nhịp và liên kết đối đỉnh mái sử dụng mặt bích và bu lông liên kết.
  • Nút liên kết cửa trời: Thiết kế liên kết chân cột cửa trời vào xà ngang chính và liên kết đỉnh mái cửa trời.

Chương 8: Kiểm tra chuyển vị ngang của khung

Sử dụng mô hình ETABS kiểm tra chuyển vị ngang tại đỉnh cột trái và đỉnh cột phải dưới tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn bất lợi nhất. Giá trị chuyển vị tính toán được so sánh với độ võng/chuyển vị giới hạn cho phép $[\Delta] = H/300$ nhằm đảm bảo điều kiện sử dụng bình thường và vận hành an toàn của cầu trục.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

1. Bảng thông số hình học và tiết diện khung ngang

Cấu kiện Kích thước / Quy cách hình học Tiết diện sơ bộ ($B \times H \times t_f \times t_w$) Ghi chú cấu tạo
Cột khung biên Chiều cao $H = 9,5\text{ m}$ ($H_d = 7,2\text{ m}; H_t = 2,3\text{ m}$) Chữ I tổ hợp: $250 \times 550 \times 10 \times 8\text{ mm}$ Tiết diện không đổi toàn chiều cao
Xà ngang đoạn 1 Chiều dài theo phương ngang $L_{X1} = 5,0\text{ m}$ Chữ I vát: $250 \times (550 \to 300) \times 10 \times 8\text{ mm}$ Thay đổi tiết diện dạng hình nêm
Xà ngang đoạn 2 Chiều dài theo phương ngang $L_{X2} = 8,5\text{ m}$ Chữ I không đổi: $250 \times 300 \times 10 \times 8\text{ mm}$ Đoạn giữa nhịp đến đỉnh mái
Cột & xà cửa trời Rộng $L_{cm} = 4,0\text{ m}$; Cao $H_{cm} = 1,5\text{ m}$ Chữ I tổ hợp: $100 \times 200 \times 8 \times 6\text{ mm}$ Đặt tại khu vực đỉnh mái
Xà gồ mái Nhịp dầm đơn giản $B = 5,0\text{ m}$, khoảng cách $1,2\text{ m}$ Thép C dập nguội: C250 ($250 \times 65 \times 20 \times 3\text{ mm}$) Chịu uốn xiên hai trục
Sườn tường vách Nhịp $B = 5,0\text{ m}$, khoảng cách $1,2\text{ m}$ (9 thanh/bên) Thép C dập nguội: C250 ($250 \times 65 \times 20 \times 3\text{ mm}$) Chịu trọng lượng tôn và gió ngang
Hệ giằng mái & cột Bố trí tại các gian đầu hồi và gian giữa Thép tròn $\phi 20$ kết hợp thanh chống C200x90 Đảm bảo độ cứng không gian dọc nhà

2. Tổng hợp tải trọng tác dụng theo TCVN 2737:2023

Thành phần tải trọng Giá trị tiêu chuẩn ($q_k, W_k, P_k$) Giá trị tính toán ($q_{tt}, W_{tt}, P_{tt}$) Hệ số vượt tải ($\gamma_f$) / Ghi chú
Tôn lợp 7 sóng $0,0459\text{ kN/m}^2$ $0,0482\text{ kN/m}^2$ $\gamma_f = 1,05$
Hoạt tải sửa chữa mái $0,30\text{ kN/m}^2$ $0,39\text{ kN/m}^2$ $\gamma_f = 1,3$ (Mái không sử dụng - Khu vực H)
Áp lực gió cơ sở $W_0$ $0,95\text{ kN/m}^2$ Gió tính toán theo từng vùng $c_e$ Vùng II-B, $W_{3s,10} = 0,852 \times W_0$, $\gamma_f = 2,1$
Gió đẩy tường biên (D) $W_k = 2,42\text{ kN/m}$ $W_{tt} = 5,082\text{ kN/m}$ Hệ số khí động $c_{eD} = +0,71; k(z_e) = 0,99$
Gió hút tường biên (E) $W_k = -1,124\text{ kN/m}$ $W_{tt} = -2,36\text{ kN/m}$ Hệ số khí động $c_{eE} = -0,33; k(z_e) = 0,99$
Gió bốc đầu mái (F) $W_k = -5,724\text{ kN/m}$ $W_{tt} = -12,02\text{ kN/m}$ Hệ số khí động $c_{eF} = -1,64; k(z_e) = 1,015$
Áp lực bánh xe cầu trục $P_{max} = 96,9\text{ kN}; P_{min} = 33,8\text{ kN}$ Truyền qua đường ảnh hưởng thành $D_{max}, D_{min}$ Hệ số vượt tải $\gamma_p = 1,2$; hệ số tổ hợp $n_c = 0,85$
Lực hãm ngang xe con $T_0 = 0,1(Q + G_{xe}) = 1,333\text{ T}$ Phân bố qua bánh xe thành $T_1$ Đặt tại cao trình đỉnh ray $H_1 = 8,0\text{ m}$

3. Kết quả kiểm tra an toàn cấu kiện bao che

Cấu kiện kiểm tra Ứng suất tính toán ($\sigma$) Cường độ cho phép ($f \cdot \gamma_c$) Độ võng tính toán ($\Delta/B$) Độ võng cho phép ($[\Delta/B]$) Kết luận kỹ thuật
Tấm tôn mái 7 sóng $15,55\text{ kN/cm}^2$ $21,0\text{ kN/cm}^2$ Thỏa mãn theo quy chuẩn $1/200$ Đạt yêu cầu chịu lực & võng
Xà gồ mái C250 $17,38\text{ kN/cm}^2$ $21,0\text{ kN/cm}^2$ $1,7 \times 10^{-3}$ ($1/588$) $5,0 \times 10^{-3}$ ($1/200$) Đạt yêu cầu chịu uốn xiên
Sườn tường C250 $8,82\text{ kN/cm}^2$ $21,0\text{ kN/cm}^2$ $2,0 \times 10^{-3}$ ($1/500$) $5,0 \times 10^{-3}$ ($1/200$) Đạt yêu cầu chịu lực & võng

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả chính đạt được

  • Thiết lập hoàn chỉnh hồ sơ tính toán kết cấu cho khung thép nhà công nghiệp một tầng nhịp $27\text{ m}$, chiều cao $9,5\text{ m}$ trang bị cầu trục $12,5\text{ T}$ với bước cột $5\text{ m}$.
  • Xác định chính xác giá trị tải trọng và nội lực khung ngang: tĩnh tải bản thân, hoạt tải sửa chữa mái $0,39\text{ kN/m}^2$, áp lực gió tính toán vùng đón gió lớn nhất $5,082\text{ kN/m}$, lực bốc mái nguy hiểm nhất đạt $-12,02\text{ kN/m}$, áp lực đứng và mômen lệch tâm do 2 cầu trục sinh ra tại vai cột ($e = 0,75\text{ m}$).
  • Kiểm chứng an toàn chịu lực của hệ thanh khung: tiết diện cột I-250x550x10x8 mm và xà ngang tiết diện thay đổi I-250x(550-300)x10x8 mm kết hợp I-250x300x10x8 mm đáp ứng đầy đủ điều kiện cường độ, ổn định tổng thể trong/ngoài mặt phẳng và ổn định cục bộ bản cánh, bản bụng.
  • Cấu tạo hoàn chỉnh các chi tiết liên kết kỹ thuật phức tạp: liên kết ngàm chân cột bê tông móng B20 với hệ sườn tăng cường và bu lông neo CT38; nút vai cột đỡ dầm cầu trục; nút liên kết mặt bích nách khung và liên kết đỉnh xà chịu mômen uốn lớn.

2. Đóng góp về mặt kỹ thuật và học thuật

  • Cập nhật tiêu chuẩn tải trọng mới: Đồ án là tài liệu áp dụng tiêu chuẩn tải trọng mới TCVN 2737:2023 vào bài toán khung nhà thép công nghiệp (tính toán áp lực gió 3s chu kỳ 10 năm, tích hợp hệ số hiệu ứng giật $G_f$ và hệ số khí động $c_e$ chi tiết cho từng phân vùng mái F, G, H, I, J theo Phụ lục F).
  • Chuẩn hóa quy trình thiết kế khung Zamil: Cung cấp quy trình tính toán mạch lạc từ lựa chọn hình học cầu trục, phân tích tải trọng, mô hình hóa phần mềm kết cấu đến kiểm tra tiết diện cấu kiện thép hình tổ hợp hàn theo TCVN 5575:2012.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đồ án:
    • Sơ đồ tính toán khung ngang được khảo sát dưới dạng bài toán khung phẳng 2D độc lập; ảnh hưởng không gian tổng thể của toàn bộ 17 bước cột chỉ được kể đến thông qua hệ số độ cứng của hệ giằng và thanh chống dọc.
    • Giả thiết liên kết chân cột với móng là liên kết ngàm tuyệt đối tại cốt 0.000, chưa xét đến biến dạng lún lệch và tương tác mềm giữa nền đất - móng bê tông cốt thép - kết cấu thép.
    • Tính toán xà gồ và sườn tường thực hiện theo sơ đồ dầm đơn giản kê lên hai khung liền kề, chưa xét đến sơ đồ dầm liên tục nhiều nhịp có giằng xà gồ (sag rod) tăng cứng phương yếu.
  • Hướng mở rộng và phát triển:
    • Mô hình hóa toàn diện không gian 3D của nhà xưởng (bao gồm toàn bộ khung ngang, hệ xà gồ, tôn mái, sườn vách và hệ giằng) trên các phần mềm phân tích chuyên dụng (như ETABS 3D, SAP2000 hoặc STAAD.Pro).
    • Khảo sát bài toán tối ưu hóa trọng lượng kết cấu thép (kích thước bề dày bản bụng, bản cánh và vị trí vát xà ngang) nhằm giảm chi phí vật tư gia công chế tạo.
    • Mở rộng tính toán kiểm tra kết cấu dưới tác động của tải trọng đặc biệt (động đất theo TCVN 9386:2012 hoặc tải trọng cháy nổ).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho:

  1. Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp: Tài liệu phục vụ trực tiếp cho việc thực hiện đồ án môn học Kết cấu thép (học phần CN522), đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng công trình công nghiệp.
  2. Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình thép: Tham khảo phương pháp áp dụng tiêu chuẩn tải trọng mới TCVN 2737:2023 trong việc phân chia các vùng đón gió, hút gió, tính toán áp lực gió tác dụng lên mái dốc và sườn tường nhà công nghiệp.
  3. Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất:
    • Phương pháp tính toán và tổ hợp tải trọng cầu trục (đường ảnh hưởng xác định $D_{max}, D_{min}$ khi có 2 cầu trục hoạt động đồng thời).
    • Bảng tính chi tiết và quy trình kiểm tra ổn định tổng thể/cục bộ cấu kiện tiết diện thay đổi theo TCVN 5575:2012.
    • Quy cách tính toán cấu tạo chi tiết chân cột liên kết ngàm và liên kết mặt bích nách khung.

Câu hỏi thường gặp

1. Thông số hình học chính và tải trọng cầu trục của khung ngang trong đồ án được xác định như thế nào?
Khung ngang có nhịp $L = 27\text{ m}$, bước cột $B = 5\text{ m}$, chiều cao cột biên $H = 9,5\text{ m}$ (gồm phần cột dưới vai $H_d = 7,2\text{ m}$ và cột trên vai $H_t = 2,3\text{ m}$), cao trình đỉnh ray $H_1 = 8\text{ m}$, độ dốc mái $i = 10%$. Cầu trục có sức nâng $Q = 12,5\text{ T}$, nhịp $L_k = 25,5\text{ m}$, áp lực bánh xe lớn nhất $P_{max} = 96,9\text{ kN}$, nhỏ nhất $P_{min} = 33,8\text{ kN}$ và trọng lượng xe con $G_{xe} = 0,833\text{ T}$.

2. Đồ án áp dụng tiêu chuẩn nào để tính toán tải trọng gió và các hệ số khí động được xác định ra sao?
Tải trọng gió được tính theo tiêu chuẩn TCVN 2737:2023 cho công trình tại TP. Cần Thơ (Vùng gió II-B, áp lực cơ sở $W_0 = 0,95\text{ kN/m}^2$, chu kỳ 10 năm $W_{3s,10} = 0,852 \times W_0$, hệ số giật $G_f = 0,85$). Hệ số khí động $c_e$ lấy theo Phụ lục F gồm: tường đón gió $c_{eD} = +0,71$, tường khuất gió $c_{eE} = -0,33$; mái dốc đón gió vùng F có $c_{eF} = -1,64$, vùng H có $c_{eH} = -0,58$; mái khuất gió vùng J có $c_{eJ} = -0,59$, vùng I có $c_{eI} = -0,63$.

3. Tiết diện của cột khung và xà ngang được lựa chọn và phân đoạn như thế nào?
Cột khung sử dụng thép tổ hợp chữ I tiết diện không đổi I-250x550x10x8 mm. Xà ngang chia thành 2 phân đoạn: đoạn 1 dài $5\text{ m}$ vát hình nêm thay đổi tiết diện từ I-250x550x10x8 mm (tại nách cột) xuống I-250x300x10x8 mm; đoạn 2 dài $8,5\text{ m}$ ở giữa nhịp có tiết diện không đổi I-250x300x10x8 mm. Cột và xà cửa trời dùng tiết diện I-100x200x8x6 mm.

4. Kết quả kiểm tra bền và độ võng của hệ xà gồ và sườn tường C250 có thỏa mãn không?
Cả xà gồ mái và sườn tường đều sử dụng thép dập nguội chữ C mã hiệu C250 ($250 \times 65 \times 20 \times 3\text{ mm}$) nhịp $5\text{ m}$. Kết quả kiểm tra:

  • Xà gồ mái: Ứng suất uốn xiên $\sigma = 17,38\text{ kN/cm}^2 \le 21\text{ kN/cm}^2$, độ võng $\Delta/B = 1,7 \times 10^{-3} \le 5 \times 10^{-3}$.
  • Sườn tường: Ứng suất uốn hai phương $\sigma = 8,82\text{ kN/cm}^2 \le 21\text{ kN/cm}^2$, độ võng tổng hợp $\Delta/B = 2,0 \times 10^{-3} \le 5 \times 10^{-3}$. Toàn bộ đều thỏa mãn điều kiện an toàn chịu lực và biến dạng cho phép.

5. Sơ đồ tính toán khung ngang và điều kiện liên kết được thiết lập như thế nào trong mô hình?
Khung ngang được mô hình hóa dưới dạng khung phẳng 2D. Chân cột liên kết ngàm chặt vào móng bê tông tại cốt 0.000; liên kết giữa đỉnh cột với xà ngang (nách khung) và liên kết giữa hai nửa xà ngang tại đỉnh mái là liên kết cứng; dầm cầu trục truyền tải trọng tập trung thẳng đứng ($D_{max}, D_{min}$) và mômen lệch tâm ($e = 0,75\text{ m}$) vào vai cột, lực hãm ngang xe con ($T_1$) đặt tại cao trình đỉnh ray $H_1 = 8\text{ m}$.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế khung thép nhà công nghiệp" (Mã học phần: CN522) của sinh viên Lý Tuấn Kiệt đã hoàn thành đầy đủ các nội dung tính toán thiết kế cho khung thép Zamil nhịp $27\text{ m}$ có cầu trục $12,5\text{ T}$ theo quy trình kỹ thuật chặt chẽ. Điểm nổi bật của công trình là việc cập nhật và áp dụng đồng bộ tiêu chuẩn tải trọng mới TCVN 2737:2023 kết hợp tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép TCVN 5575:2012 trong việc phân tích nội lực, kiểm tra tiết diện cấu kiện và cấu tạo chi tiết liên kết. Toàn bộ các kết quả tính toán về độ bền, ổn định tổng thể, ổn định cục bộ và độ võng của hệ khung cùng kết cấu bao che đều thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật an toàn theo quy chuẩn hiện hành.