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 và yêu cầu trang bị thiết bị nâng chuyển tải trọng nặng. Bối cảnh thực tiễn của đồ án xuất phát từ yêu cầu thiết kế kỹ thuật một công trình nhà xưởng công nghiệp 1 tầng, 3 nhịp bằng hệ kết cấu khung thép tổ hợp chữ I đối xứng, trong đó nhịp giữa được bố trí 2 cầu trục hoạt động phục vụ dây chuyền sản xuất, còn hai nhịp biên không có cầu trục.

Mục tiêu cốt lõi của đồ án là thực hiện quy trình thiết kế kỹ thuật toàn diện cho khung ngang chịu lực của nhà công nghiệp, đảm bảo các yêu cầu về an toàn chịu lực theo trạng thái giới hạn thứ nhất (cường độ, ổn định tổng thể, ổn định cục bộ) và trạng thái giới hạn thứ hai (độ võng, chuyển vị). Để hoàn thành mục tiêu này, các nhiệm vụ nghiên cứu và tính toán cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Xác định kích thước hình học tổng thể của khung ngang theo phương đứng và phương ngang dựa trên quy chuẩn không gian và gabarit cầu trục.
  2. Xác định các loại tải trọng tác dụng lên hệ khung bao gồm tĩnh tải bao che, hoạt tải sửa chữa mái, hoạt tải cầu trục và tải trọng gió.
  3. Thiết lập mô hình tính toán kết cấu trên phần mềm SAP2000 v14, phân tích nội lực và thực hiện tổ hợp nội lực nhằm tìm các tổ hợp nguy hiểm nhất.
  4. Tính toán, kiểm tra khả năng chịu lực của các cấu kiện cơ bản: tôn lợp mái, xà gồ thép cán C, dầm mái (xà ngang) tiết diện thay đổi, cột biên và cột giữa tiết diện không đổi, dầm vai cột.
  5. Thiết kế chi tiết các liên kết kết cấu: liên kết xà gồ - dầm mái, liên kết nút khung xà - cột, liên kết nối dầm, liên kết dầm vai vào cột và liên kết chân cột với móng bê tông cốt thép.
  6. Nghiên cứu, hướng dẫn tính toán hệ giằng công trình theo tiêu chuẩn Việt Nam và so sánh mở rộng với tiêu chuẩn Úc (AS 4100) và tiêu chuẩn Mỹ (AISC/ASD - AISC/LRFD).

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ khung ngang thép nhà công nghiệp 1 tầng 3 nhịp, có bước cột $B = 6\text{ m}$, độ dốc mái $i = 10%$, cao trình đỉnh ray $H_r = 11.7\text{ m}$, cao trình mặt móng tại cốt tự nhiên $\pm0.00\text{ m}$. Phạm vi tính toán không gian tập trung vào một khung ngang điển hình chịu tải trọng gió dạng địa hình B với áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 100\text{ daN/m}^2$, nhịp giữa trang bị 2 cầu trục có sức nâng $Q = 5\text{ tấn}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Quy trình tính toán trong đồ án được xây dựng dựa trên hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành của Việt Nam, kết hợp đối chiếu với các quy chuẩn thiết kế kết cấu thép quốc tế:

  • Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép: TCVN 5575:2012 ("Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế") và TCXDVN 338:2005 ("Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế").
  • Tiêu chuẩn tải trọng và tác động: TCVN 2737:1995 ("Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế") dùng để xác định hoạt tải sửa chữa mái, hệ số vượt tải và áp lực gió tĩnh theo sơ đồ khí động 13.
  • Tiêu chuẩn bu lông và thép hình: TCVN 1916:1995 quy định diện tích bu lông liên kết; TCVN 1654-75 quy định thông số kỹ thuật thép cán nóng chữ C làm xà gồ.
  • Tiêu chuẩn đối chiếu quốc tế về hệ giằng: AS 4100 (Tiêu chuẩn Úc), AISC/ASD và AISC/LRFD (Quy phạm của Viện Kết cấu Thép Hoa Kỳ).

Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế đã áp dụng:

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Xây dựng mô hình khung phẳng hai chiều (2D) trên phần mềm kết cấu chuyên dụng SAP2000 v14, chia lưới phần tử thanh (Frame elements), gán các trường hợp tải trọng độc lập và giải toán ma trận độ cứng để xuất biểu đồ nội lực mô-men uốn ($M$), lực cắt ($Q$) và lực dọc trục ($N$).
  • Phương pháp tổ hợp nội lực giải tích: Lập bảng tổ hợp cơ bản 1 (Tĩnh tải + 1 Hoạt tải) và Tổ hợp cơ bản 2 (Tĩnh tải + $0.9 \times \sum \text{Hoạt tải}$) nhằm trích xuất các bộ ba nội lực nguy hiểm tại từng tiết diện: ($M_{\max}, N_{\text{tư}}, Q_{\text{tư}}$), ($M_{\min}, N_{\text{tư}}, Q_{\text{tư}}$), ($Q_{\max}, M_{\text{tư}}, N_{\text{tư}}$) cho dầm và ($N_{\max}, M_{\text{tư}}, Q_{\text{tư}}$) cho cột.
  • Phương pháp trạng thái giới hạn: Kiểm tra ứng suất pháp ($\sigma$), ứng suất tiếp ($\tau$), ứng suất tương đương ($\sigma_{\text{tđ}}$) theo điều kiện bền; kiểm tra độ mảnh ($\lambda, \bar{\lambda}$), hệ số uốn dọc ($\varphi$), hệ số ổn định uốn ngang ($\varphi_b$) theo điều kiện ổn định tổng thể; kiểm tra độ mảnh giới hạn của bản cánh ($\beta_0$) và bản bụng ($\lambda_w$) theo điều kiện ổn định cục bộ.

Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng trong đồ án gồm:

  • Thông số kỹ thuật của tole 9 sóng vuông cao 21 mm từ Catalogue nhà sản xuất Ngô Long.
  • Thông số hình học và tải trọng bánh xe từ Catalogue cầu trục công nghiệp: sức nâng $Q = 5\text{ tấn}$, áp lực bánh xe cực đại $P_{\max}^{\text{tc}} = 4.51\text{ tấn}$, tổng khối lượng cầu trục $G = 6.8\text{ tấn}$ ($68\text{ kN}$), khối lượng xe con $G_{\text{xe con}} = 6.2\text{ kN}$.
  • Cơ tính vật liệu: Thép kết cấu mác CCT38 ($f = 2100\text{ daN/cm}^2$), que hàn N42 ($f_{wf} = 1800\text{ daN/cm}^2, f_{un} = 4200\text{ daN/cm}^2$), bu lông thường cấp độ bền 5.8 ($f_{vb} = 2000\text{ daN/cm}^2, f_{tb} = 2000\text{ daN/cm}^2$), vít bắt tôn cấp độ bền 4.6, bu lông neo móng mác thép CT38 ($f_{ba} = 1500\text{ daN/cm}^2$), móng bê tông cấp độ bền B25 ($R_b = 145\text{ daN/cm}^2, R_{bt} = 10.5\text{ daN/cm}^2$).

Nội dung chính theo từng chương

Đề bài và Số liệu thiết kế (Mục 1 & 2)

Nội dung thiết lập các tham số đầu vào cho đồ án thiết kế khung ngang thép nhà xưởng công nghiệp 1 tầng 3 nhịp:

  • Nhịp giữa bố trí 2 cầu trục hoạt động với sức nâng $Q = 5\text{ tấn}$, hai nhịp biên không có cầu trục.
  • Khung chịu lực bằng thép hình chữ I tổ hợp hàn, trong đó cột có tiết diện không đổi dọc theo chiều cao, xà gồ đỡ mái tole, dầm mái có tiết diện thay đổi dạng vát ở khu vực gần nách khung.
  • Địa hình xây dựng thuộc dạng B, áp lực gió tiêu chuẩn ở độ cao 10 m là $W_0 = 100\text{ daN/m}^2$, độ dốc mái $i = 10%$.

Thiết kế khung (Mục 3)

Chương này xác định kích thước hình học và sơ bộ kích thước tiết diện các bộ phận kết cấu:

  • Kích thước đứng: Chiều cao cột trên $H_t = 2300\text{ mm}$ (tính từ khoảng cách an toàn $C = 300\text{ mm}$, chiều cao dầm cầu trục $h_{\text{dct}} = 900\text{ mm}$, chiều cao ray $h_r = 200\text{ mm}$); chiều dài cột dưới $H_d = 11.7\text{ m}$; tổng chiều cao toàn bộ cột $H = 12.9\text{ m}$. Cột biên được chọn cùng chiều cao với cột giữa.
  • Kích thước ngang: Trục định vị cột biên trùng với mép ngoài cột ($a = 0$), trục định vị cột giữa trùng tâm tiết diện cột. Chiều cao tiết diện cột chọn sơ bộ $h = 0.8\text{ m} = 800\text{ mm}$.
  • Sơ bộ tiết diện: Cột chữ I tổ hợp có kích thước $h = 800\text{ mm}, b_f = 300\text{ mm}, t_w = 12\text{ mm}, t_f = 15\text{ mm}$. Dầm mái chữ I tổ hợp có tiết diện vát tại nách khung với chiều cao $h_f = 0.8\text{ m}$, chiều rộng cánh $b_f = 0.4\text{ m}$, chiều dày bản bụng $t_w = 12\text{ mm}$, chiều dày bản cánh $t_f = 15\text{ mm}$; chiều dài đoạn vát dầm mái cách tim cột là $5.5\text{ m}$. Cửa trời bố trí thép I20 có chiều cao cột cửa mái $H_{\text{cm}} = 1.5\text{ m}$.
Cấu kiện Chiều cao $h$ (mm) Bề rộng cánh $b_f$ (mm) Chiều dày bụng $t_w$ (mm) Chiều dày cánh $t_f$ (mm)
Cột biên (C1) & Cột giữa (CG1) 800 300 12 15
Dầm mái tại nách khung (DM1, DM2, DM3) 800 400 12 15
Dầm mái tại đỉnh nhịp 450 400 12 15
Dầm vai cột giữa (VC1) Sơ bộ theo lực cắt 400 12 15

Tải trọng tác dụng lên khung ngang (Mục 4)

Xác định đầy đủ các trường hợp tải trọng tác dụng tĩnh và động quy đổi:

  • Tĩnh tải: Tải trọng lớp hoàn thiện mái tole và giằng xà gồ ($n = 1.1$), tải trọng tường bao che tole tác dụng lên cột biên, tải trọng bản thân dầm cầu trục sơ bộ $200\text{ daN/m}$ quy đổi về lực tập trung đặt lệch tâm lên vai cột ($e = 0.75\text{ m}$).
  • Hoạt tải sửa chữa mái: Trị số tiêu chuẩn $p_c = 30\text{ daN/m}^2$ ($n = 1.3$) quy đổi thành 6 trường hợp hoạt tải phân bố và tập trung (HT1 đến HT6) trên các đoạn mái và cửa sổ mái.
  • Hoạt tải cầu trục: Xác định áp lực đứng lớn nhất $D_{\max}$ và nhỏ nhất $D_{\min}$ truyền lên vai cột qua đường ảnh hưởng của hệ 2 bánh xe cầu trục tiến sát nhau ($n = 1.1, n_c = 0.85$); tính toán lực hãm ngang tiêu chuẩn của xe con $T^{\text{tc}}$ do lực quán tính của xe con có tải truyền vào cột ở cao trình mặt ray.
  • Tải trọng gió: Do công trình có chiều cao $H = 12.9\text{ m} < 40\text{ m}$, tính toán hoàn toàn theo thành phần tĩnh của gió theo TCVN 2737:1995. Xác định hệ số khí động đẩy ($c_e = +0.8$), hệ số hút ($c_e = -0.4$ đến $-0.6$), lập bảng áp lực gió tính toán $q^{\text{tt}}$ tác dụng lên cột đón gió, cột khuất gió, dầm mái và cửa mái theo cao trình $z$.

Xác định nội lực (Mục 5)

Mô hình hóa khung 2D trên SAP2000 v14:

  • Khai báo đầy đủ các trường hợp tải trọng: Tĩnh tải (TT), 6 trường hợp hoạt tải sửa chữa (HT1-HT6), hoạt tải cầu trục ($D_{\max}$ trái, $D_{\max}$ phải, lực hãm $T$), hoạt tải gió (Gió trái, Gió phải).
  • Trích xuất biểu đồ mô-men uốn $M$, lực dọc $N$, lực cắt $Q$ cho từng trường hợp.
  • Thực hiện tổ hợp nội lực cơ bản 1 và cơ bản 2, lập bảng giá trị nội lực thiết kế cho các phần tử thanh dầm biên (dầm 5, dầm 8), dầm giữa (dầm 12, dầm 16), cột biên 1, cột giữa 2 và cột cửa mái.

Thiết kế tole, xà gồ (Mục 6)

  • Tole lợp mái: Sử dụng tôn 9 sóng vuông mạ màu dày $t = 0.3\text{ mm}$, khoảng cách đặt xà gồ theo phương xiên là $1.1\text{ m}$. Kiểm tra điều kiện bền chịu uốn và điều kiện biến dạng (độ võng $f \le [f]$) dưới 2 tổ hợp tải trọng (Tĩnh tải + Gió; Tĩnh tải + Hoạt tải sửa chữa).
  • Xà gồ mái: Chọn thép hình cán nóng C14. Kiểm tra điều kiện bền ứng suất uốn theo hai phương và kiểm tra độ võng trong trường hợp không bố trí giằng xà gồ và có bố trí giằng xà gồ.
  • Liên kết: Thiết kế vít tự khoan cấp bền 4.6 ($d = 5.5\text{ mm}$) liên kết tôn vào xà gồ, khoảng cách $b_{\text{vít}} = 250\text{ mm}$ (mỗi 2 bước sóng bắt 1 vít); thiết kế liên kết xà gồ vào dầm mái thông qua thép góc bản ghép đều cạnh $L180\times130\times6\text{ mm}$ liên kết bằng 2 bu lông thô $\phi 16$ cấp bền 4.6.

Thiết kế xà ngang (Mục 7)

Tính toán chi tiết cho 3 phân đoạn dầm: Dầm mái 1 (DM1 - nhịp biên trái), Dầm mái 2 (DM2 - nhịp biên phải) và Dầm mái 3 (DM3 - nhịp giữa):

  • Xác định nội lực thiết kế: Lựa chọn cặp nội lực nguy hiểm có trị tuyệt đối mô-men lớn nhất từ bảng tổ hợp (ví dụ đầu trái dầm DM1 có $M = 46490\text{ daN.m}, N = 7474\text{ daN}, Q = 9395\text{ daN}$).
  • Kiểm tra khả năng chịu lực: Xác định diện tích $A$, mô-men quán tính $I_x$, mô-men kháng uốn $W_x$, mô-men tĩnh $S_x$; kiểm tra ứng suất pháp $\sigma \le \gamma_c f$, ứng suất tiếp $\tau \le \gamma_c f_v$ và ứng suất tương đương $\sigma_{\text{tđ}} = \sqrt{\sigma^2 + 3\tau^2} \le 1.15 \gamma_c f$ tại điểm giao nhau giữa bản cánh và bản bụng.
  • Kiểm tra ổn định: Nhờ hệ xà gồ gắn trên cánh trên ($L_0^{\text{cánh trên}} = 110\text{ cm}$) và hệ thanh giằng chống oằn gắn ở cánh dưới ($L_0^{\text{cánh dưới}} = 220\text{ cm}$), tỷ số $L_0/b_f$ thỏa mãn quy định Bảng 13 TCVN 5575:2012 nên không cần kiểm tra ổn định tổng thể. Độ mảnh quy ước bản bụng $\lambda_w \le 1.5$ thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ mà không cần bố trí sườn ngang tăng cường.
  • Tính đường hàn: Tính toán đường hàn tự động liên kết bản cánh và bản bụng dầm chịu lực trượt, chọn chiều cao đường hàn cấu tạo $h_f = 6\text{ mm}$.

Thiết kế các cột (Mục 8)

  • Cột biên C1: Chiều dài tính toán trong mặt phẳng $l_x = \mu H = 1.625 \times 12.9\text{ m} = 20.96\text{ m}$; chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng $l_y = 4.3\text{ m}$ nhờ bố trí 3 tầng hệ giằng cột tại các cao trình $+4.3\text{ m}, +8.6\text{ m}, +12.9\text{ m}$. Cột chịu nén uốn lệch tâm lớn ($m_x > 20$), kiểm tra bền theo cặp nội lực $|M|_{\max} = 57907\text{ daN.m}, N = 154\text{ daN}$; kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng và kiểm tra ổn định cục bộ bản cánh, bản bụng theo TCVN 5575:2012.
  • Cột giữa CG1: Chiều dài tính toán và kiểm tra tương tự với các cặp nội lực nguy hiểm sinh ra từ tác động kết hợp của tải trọng đứng và mô-men do hoạt tải 2 cầu trục hoạt động đồng thời tại nhịp giữa.

Kiểm tra trạng thái giới hạn thứ hai và Thiết kế dầm vai (Mục 9 & 10)

  • Trạng thái giới hạn II: Kiểm tra chuyển vị đứng tại đỉnh các dầm giữa nhịp đảm bảo nhỏ hơn độ võng giới hạn cho phép $[f] = L/250$.
  • Dầm vai VC1: Cấu kiện công-xôn chữ I tổ hợp gắn vào cột giữa đỡ dầm cầu trục. Tính toán chịu phản lực gối tựa lớn nhất từ dầm cầu trục; kiểm tra bền uốn, cắt, ổn định cục bộ bản bụng, kiểm tra liên kết hàn bản cánh và bản bụng của dầm vai trực tiếp vào thân cột giữa.

Thiết kế liên kết nút và Chân cột (Mục 11 & 12)

  • Liên kết nút khung: Thiết kế các nút liên kết cứng cột biên - dầm mái DM1, nút cột giữa - dầm DM2/DM3, các mối nối dầm mái tại vị trí thay đổi tiết diện và mối nối tại đỉnh nhịp bằng mặt bích và bu lông cường độ cao.
  • Chân cột biên CB1 và chân cột giữa CG1: Thiết kế chân cột liên kết ngàm vào móng bê tông B25. Tính toán kích thước bản đế thép ($L_{\text{bđ}} \times B_{\text{bđ}} \times t_{\text{bđ}}$) theo điều kiện ép mặt cục bộ của bê tông móng; chia bản đế thành các ô bản đơn và bản kê 3-4 cạnh để tính chiều dày $t_{\text{bđ}} = 30\text{ mm} - 35\text{ mm}$; thiết kế chiều cao dầm đế $h_{\text{dđ}} = 150\text{ mm}$, sườn đế ngắn và dài dày $12\text{ mm}$, cao $100\text{ mm}$; tính toán bu lông neo mác thép CT38 chịu lực kéo nhổ lớn nhất:
    • Chân cột biên CB1: Bố trí 4 bu lông neo mác CT38 đường kính $d = 48\text{ mm}$.
    • Chân cột giữa CG1: Bố trí 4 bu lông neo mác CT38 đường kính $d = 27\text{ mm}$.
Bộ phận chân cột Chân cột biên CB1 Chân cột giữa CG1
Kích thước bản đế ($L \times B \times t$) $1000 \times 450 \times 35\text{ mm}$ $900 \times 350 \times 30\text{ mm}$
Dầm đế ($B \times h \times t$) $450 \times 150 \times 12\text{ mm}$ $350 \times 150 \times 12\text{ mm}$
Sườn đế dài / ngắn (dày $\times$ cao) $12\text{ mm} \times 100\text{ mm}$ $12\text{ mm} \times 100\text{ mm}$
Bu lông neo móng (Thép CT38) 4 bu lông $\phi 48\text{ mm}$ ($f_{ba} = 1500\text{ daN/cm}^2$) 4 bu lông $\phi 27\text{ mm}$ ($f_{ba} = 1500\text{ daN/cm}^2$)
Chiều cao đường hàn đế ($h_f$) $8\text{ mm}$ $9\text{ mm}$

Hướng dẫn tính toán hệ giằng (Mục 13)

Phần phân tích chuyên sâu về hệ giằng và đối chiếu các tiêu chuẩn thiết kế:

  • Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5575:2012 / TCXDVN 338:2005): Thanh giằng chịu kéo được tính theo độ bền tiết diện thực $A_n$ và khống chế nghiêm ngặt độ mảnh giới hạn $[\lambda] = 400$. Thanh giằng chịu nén tính theo độ bền và ổn định uốn dọc ($\sigma = N / (\varphi A) \le \gamma_c f$).
  • Tiêu chuẩn Úc (AS 4100): Tính toán thanh giằng chịu kéo dựa trên tiết diện danh nghĩa $A_g$ hoặc tiết diện thực $A_n$ kết hợp hệ số lệch tâm liên kết $k_t$ ($k_t = 0.75 - 1.0$), không khống chế độ mảnh tới hạn đối với cấu kiện chịu kéo.
  • Tiêu chuẩn Mỹ (AISC/ASD & AISC/LRFD): Quy phạm xác định cấu kiện chịu kéo theo ứng suất chảy $F_y$ và ứng suất kéo đứt $F_u$ trên diện tích hữu hiệu $A_e$; không bắt buộc giới hạn độ mảnh tối đa cho thanh kéo (chỉ khuyến nghị $L/r \le 300$, ngoại trừ thanh thép tròn hoặc dây cáp dùng tăng đơ).
  • Thanh giằng chống oằn cánh nén (Flange Stay): Hướng dẫn tính toán khoảng cách bố trí giằng cánh nén $L$ theo AISC/ASD nhằm ngăn chặn hiện tượng mất ổn định uốn ngang/xoắn của cánh dưới dầm mái và cánh trong của cột khi chịu mô-men uốn đổi dấu.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kỹ thuật cho công trình nhà công nghiệp 3 nhịp có cầu trục:

  • Xác lập giải pháp kết cấu hợp lý: Ứng dụng dầm thép I tổ hợp biến đổi tiết diện (vát nách khung cao $800\text{ mm}$, vát thoải $5.5\text{ m}$ về phía đỉnh nhịp $450\text{ mm}$) giúp tối ưu hóa biểu đồ bao mô-men uốn, giảm đáng kể khối lượng thép so với phương án dầm tiết diện không đổi.
  • Tối ưu hóa chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng: Giải pháp bố trí 3 tầng giằng dọc tại các cao trình $+4.3\text{ m}, +8.6\text{ m}, +12.9\text{ m}$ đã khống chế chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng của cột biên và cột giữa xuống còn $l_y = 4.3\text{ m}$, giải quyết triệt để nguy cơ mất ổn định ngoài mặt phẳng uốn của cột có chiều cao lớn ($12.9\text{ m}$).
  • Hệ thống hóa chi tiết liên kết chân cột: Hoàn thiện sơ đồ tính toán bản đế ngàm kết hợp dầm đế và sườn gia cường, phân bổ đều ứng suất nén xuống móng bê tông B25 và xác định chính xác đường kính bu lông neo chịu nhổ lớn ($d = 48\text{ mm}$ ở cột biên chịu mô-men lật lớn và $d = 27\text{ mm}$ ở cột giữa).
  • Đóng góp học thuật về tiêu chuẩn hệ giằng: Làm rõ sự khác biệt về mặt triết lý thiết kế giữa TCVN (khống chế độ mảnh khắt khe) với tiêu chuẩn AS 4100 và AISC/ASD (cho phép tận dụng khả năng làm việc của thanh thép tròn chịu kéo có tăng đơ).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Mô hình tính toán nội lực mới dừng lại ở phân tích khung phẳng 2D trên SAP2000 v14, chưa xét đến sự làm việc không gian tổng thể 3D và sự tương tác qua lại giữa các khung ngang thông qua hệ kết cấu mái và hệ giằng nhà xưởng.
    • Do chiều cao nhà xưởng dưới 40 m ($H = 12.9\text{ m}$), tải trọng gió mới chỉ được tính toán thành phần tĩnh theo TCVN 2737:1995, chưa xét đến tác động của thành phần gió động hoặc hiện tượng xoáy khí động học cục bộ tại các vị trí mép mái và cửa trời.
  • Hướng phát triển:
    • Thiết lập mô hình không gian 3D hoàn chỉnh, phân tích động học công trình chịu tác động đồng thời của tải trọng động cầu trục khi hãm đột ngột và tải trọng động đất.
    • Nghiên cứu tối ưu hóa tự động tiết diện khung thép theo tiêu chuẩn AISC/LRFD nhằm giảm thiểu khối lượng kim loại cho toàn bộ công trình nhà công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích 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 II hoặc Khóa luận tốt nghiệp về kết cấu thép nhà công nghiệp.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu cần tài liệu hướng dẫn quy trình tính toán chi tiết cấu kiện nén uốn, dầm nách khung vát tiết diện, chi tiết chân cột ngàm (bản đế, dầm đế, sườn tăng cường, bu lông neo) theo TCVN 5575:2012.
  • Các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm đến sự tương đồng và khác biệt giữa TCVN, tiêu chuẩn Úc (AS 4100) và tiêu chuẩn Mỹ (AISC/ASD) trong thiết kế hệ giằng nhà tiền chế.

Câu hỏi thường gặp

1. Khung ngang nhà công nghiệp trong đồ án có quy mô hình học và bố trí cầu trục như thế nào?
Công trình là nhà công nghiệp 1 tầng gồm 3 nhịp, bước cột $B = 6\text{ m}$, tổng chiều cao cột $H = 12.9\text{ m}$ ($H_t = 2.3\text{ m}, H_d = 11.7\text{ m}$). Nhịp giữa được trang bị 2 cầu trục hoạt động với sức nâng $Q = 5\text{ tấn}$ (áp lực bánh xe lớn nhất $P_{\max} = 4.51\text{ tấn}$), hai nhịp biên không bố trí cầu trục.

2. Các mác vật liệu chính được lựa chọn để thiết kế khung kết cấu là gì?
Đồ án sử dụng thép mác CCT38 (cường độ tính toán $f = 2100\text{ daN/cm}^2$), que hàn N42 ($f_{wf} = 1800\text{ daN/cm}^2$), bu lông cấp bền 5.8 ($f_{vb} = f_{tb} = 2000\text{ daN/cm}^2$), bu lông neo chân cột bằng thép mác CT38 ($f_{ba} = 1500\text{ daN/cm}^2$), móng bê tông cấp độ bền B25 và tôn lợp 9 sóng vuông dày $0.3\text{ mm}$.

3. Vì sao trong đồ án không tính toán thành phần động của tải trọng gió?
Theo quy định tại TCVN 2737:1995, các công trình có chiều cao $H < 40\text{ m}$ không bắt buộc phải tính toán thành phần động của tải trọng gió. Khung nhà xưởng trong đồ án có chiều cao đỉnh cột $12.9\text{ m}$ (kể cả cửa trời vẫn dưới $40\text{ m}$) nên tải trọng gió chỉ cần xác định theo thành phần tĩnh.

4. Kích thước và thông số bu lông neo tại chân cột biên CB1 và chân cột giữa CG1 khác nhau như thế nào?
Chân cột biên CB1 chịu mô-men lật chân cột lớn nên sử dụng 4 bu lông neo mác CT38 đường kính danh nghĩa $d = 48\text{ mm}$ đặt trên bản đế $1000 \times 450 \times 35\text{ mm}$. Chân cột giữa CG1 chịu lực nén lớn nhưng mô-men uốn nhỏ hơn nên sử dụng 4 bu lông neo mác CT38 đường kính $d = 27\text{ mm}$ đặt trên bản đế $900 \times 350 \times 30\text{ mm}$.

5. Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5575:2012) và tiêu chuẩn Mỹ (AISC/ASD) khác nhau thế nào khi tính toán thanh giằng chịu kéo?
TCVN 5575:2012 bắt buộc phải kiểm tra điều kiện bền và khống chế độ mảnh giới hạn của thanh giằng kéo không vượt quá $[\lambda] = 400$. Ngược lại, quy phạm AISC/ASD không đưa ra giới hạn độ mảnh tối đa bắt buộc cho thanh kéo và cho phép áp dụng thanh thép tròn ren đầu hoặc cáp có tăng đơ trong nhà thép tiền chế.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế kết cấu thép II" đã hoàn thành trọn vẹn quy trình tính toán và thiết kế kỹ thuật cho khung ngang nhà xưởng công nghiệp 1 tầng 3 nhịp có cầu trục $5\text{ tấn}$. Bằng việc kết hợp mô hình hóa phần tử hữu hạn trên SAP2000 v14 với các phương pháp giải tích trạng thái giới hạn theo TCVN 5575:2012, tác giả đã đưa ra các giải pháp cấu tạo hợp lý từ dầm vát tiết diện, cột nén uốn, nút khung cho đến chi tiết chân cột ngàm. Đồng thời, phần mở rộng phân tích hệ giằng theo tiêu chuẩn Úc và Mỹ mang lại giá trị tham khảo chuyên môn sâu sắc cho việc thiết kế kết cấu thép nhà tiền chế.