Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khóa luận thực hiện thiết kế kỹ thuật công trình cho đề tài "Đồ án môn học Kết cấu thép - Khung nhà công nghiệp một tầng", do sinh viên Trần Nhật Linh (MSSV: 81302103) thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Thị Bích Thủy. Trong kỹ thuật xây dựng công trình công nghiệp, kết cấu khung thép nhà xưởng một tầng khẩu độ lớn chịu tải trọng phức tạp, bao gồm tải trọng bản thân kết cấu, hoạt tải mái, tải trọng động từ hệ thống cầu trục công suất lớn và áp lực gió tại vùng ven biển.

Mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật của đồ án được triển khai cụ thể theo 4 nhiệm vụ tuần tự:

  1. Xác định sơ đồ hình học và kích thước chính của khung ngang nhà xưởng (bao gồm kích thước cột trên, cột dưới, dàn vì kèo mái, cửa mái và bố trí hệ giằng không gian).
  2. Xác định các loại tải trọng tác dụng lên khung ngang, phân tích nội lực bằng phương pháp giải tích/phần mềm kết cấu, tổng hợp và lập các tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất theo tiêu chuẩn hiện hành.
  3. Thiết kế chi tiết cấu kiện cột thép chịu nén uốn lệch tâm, bao gồm kiểm tra khả năng chịu lực, ổn định tổng thể, ổn định cục bộ cho cột trên dạng đặc và cột dưới dạng rỗng hai nhánh ghép thanh giằng, thiết kế chi tiết vai cột và liên kết chân cột với móng bê tông cốt thép.
  4. Xác định nội lực và thiết kế tiết diện các thanh dàn vì kèo mái hình thang (thanh cánh trên, thanh cánh dưới, thanh bụng), đồng thời cấu tạo các nút liên kết chính (nút liên kết dàn với cột, nút khuếch đại đỉnh dàn).

Đối tượng nghiên cứu là kết cấu khung thép ngang chịu lực của nhà xưởng sản xuất công nghiệp một tầng trang bị hai cầu trục vận hành. Phạm vi thiết kế quy định công trình có chiều dài mặt bằng $\Sigma B = 90\text{ m}$, bước khung $B = 6\text{ m}$ (gồm 15 bước khung), nhịp khung ngang $L = 30\text{ m}$, cao trình đỉnh ray cầu trục $H_r = 9{,}2\text{ m}$. Địa điểm xây dựng giả định tại thành phố Hải Phòng, thuộc vùng gió IV-B, dạng địa hình B (địa hình che chắn ít), với niên hạn sử dụng thiết kế công trình là 50 năm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật và lý thuyết tính toán được tác giả áp dụng bao gồm:

  • Tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 ("Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế"): Sử dụng để tra cứu cường độ tính toán của vật liệu thép CCT34, các công thức kiểm tra bền, ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng uốn, ổn định cục bộ bản cánh và bản bụng cấu kiện nén uốn, hệ số uốn dọc $\varphi$, hệ số uốn dọc lệch tâm $\varphi_{lt}$.
  • Tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 ("Tải trọng và tác động"): Quy định giá trị áp lực gió tiêu chuẩn tại Hải Phòng ($q_0 = 1{,}55\text{ kN/m}^2$), hệ số tin cậy vượt tải $\gamma_Q$, các hệ số phân bố áp lực gió theo độ cao $k$, hệ số khí động $c$ cho mặt đón gió và hút gió đối với nhà có cửa mái giật cấp, cùng các hệ số tổ hợp tải trọng.
  • Phương pháp phân tích kết cấu và giải tích cơ học công trình: Sử dụng sơ đồ thanh phẳng để mô hình hóa khung ngang một tầng một nhịp liên kết ngàm tại chân cột và liên kết khớp giữa cột với dàn vì kèo; áp dụng nguyên lý cộng tác dụng, đường ảnh hưởng áp lực bánh xe cầu trục để xác định phản lực đứng cực đại ($D_{\max}$), cực tiểu ($D_{\min}$) và lực hãm ngang xe con ($T$).
  • Nguồn dữ liệu phục vụ tính toán: Số liệu nhiệm vụ thiết kế đồ án, catalogue thiết bị cầu trục công nghiệp cho sức cẩu $Q = 30\text{ T}$, quy cách thép hình cán nóng và thép bản gia công tổ hợp hàn theo quy chuẩn cơ khí xây dựng.

Thiết kế và triển khai kết cấu kỹ thuật

Đồ án triển khai quy trình tính toán và lựa chọn thông số kỹ thuật cho hệ kết cấu khung thép theo các thông số vật liệu và cấu tạo sau:

Hạng mục kỹ thuật Thông số và vật liệu quy định Giá trị thiết kế trong đồ án
Vật liệu thép kết cấu Thép cán CCT34 (theo TCVN 5575:2012) $f = 21\text{ kN/cm}^2$, $f_y = 22\text{ kN/cm}^2$, $f_u = 34\text{ kN/cm}^2$, $E = 2{,}1 \times 10^4\text{ kN/cm}^2$
Bê tông móng Bê tông cấp độ bền B15 Cường độ tính toán chịu nén $R_b = 0{,}85\text{ kN/cm}^2$
Phương pháp liên kết Que hàn N42 hoặc que hàn 42 (hàn tay) Cường độ tính toán đường hàn đối đầu và hàn góc theo que hàn nhóm 42
Vật liệu lợp mái Tôn sắt tráng kẽm Tải trọng tiêu chuẩn $g = 0{,}05\text{ kN/m}^2$ ($6\text{ daN/m}^2$), hệ số vượt tải $1{,}5$
Cầu trục hoạt động 2 cầu trục sức nâng $Q = 30\text{ T}$ ($300\text{ kN}$) Chế độ làm việc trung bình, ray KP40, khoảng cách trục bánh xe $K = 5100\text{ mm}$

Khung ngang được chia thành hai cấu phần chịu lực chính: phần cột đỡ chịu lực (phân chia thành cột trên tiết diện đặc chữ I đối xứng và cột dưới tiết diện rỗng hai nhánh liên kết thanh giằng xiên) và hệ vì kèo dàn mái hình thang có độ dốc $10%$, liên kết với hệ cửa mái thông gió tự nhiên khẩu độ $12\text{ m}$.

Nội dung chính theo từng phần

Phần 1: Xác định kích thước chính của khung ngang

Tác giả xác định kích thước hình học tổng thể của khung ngang dựa trên quy chuẩn không gian lắp đặt thiết bị cầu trục và các công thức kinh nghiệm kết cấu:

  • Kích thước theo phương đứng:
    • Chiều cao phần cột dưới: Xác định theo công thức từ cao trình đỉnh ray $H_r = 9{,}2\text{ m}$, chiều cao ray và đệm $h_r = 200\text{ mm}$, chiều cao dầm cầu chạy $h_{dcc} = 600\text{ mm}$ (chọn bằng $1/10$ bước cột $B = 6\text{ m}$), cao trình móng đặt tại cốt $\pm 0{,}000$ ($H_m = 0$). Chiều cao thực của phần cột dưới được tính toán và chọn là $H_d = 8{,}4\text{ m}$.
    • Chiều cao phần cột trên: Phụ thuộc vào kích thước ray, dầm cầu chạy, chiều cao gabarit của cầu trục ($H_k = 2750\text{ mm}$), khe hở an toàn và độ rỗng dàn mái ($f = 300\text{ mm}$, lấy bằng $1/100$ nhịp nhà). Tác giả chọn chiều cao cột trên $H_t = 4{,}0\text{ m}$.
  • Kích thước theo phương ngang:
    • Khoảng cách từ trục tim ray cầu trục đến trục định vị dọc nhà được xác định $\lambda = 750\text{ mm}$.
    • Chiều cao tiết diện cột trên sơ bộ được chọn $h_t = 500\text{ mm}$.
    • Khoảng cách từ trục định vị tới mép ngoài cột thỏa mãn điều kiện $a \ge h_t + B_1 + D - \lambda = 500 + 300 + 60 - 750 = 110\text{ mm}$ (với $B_1 = 300\text{ mm}$ là khoảng cách từ tim ray đến mép ngoài cầu trục, $D = 60\text{ mm}$ là khe hở an toàn). Tác giả chọn bước nhảy chuẩn $a = 250\text{ mm}$.
    • Chiều cao tiết diện cột dưới được chọn $h_d = 1000\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện độ cứng khung ngang.
  • Kích thước dàn mái và cửa mái: Dàn vì kèo mái có sơ đồ hình thang cân, nhịp $L = 30\text{ m}$, chiều cao đầu dàn $H_0 = 2200\text{ mm}$, chiều cao giữa dàn tại đỉnh là $h_{gd} = 3700\text{ mm}$ với độ dốc cánh trên $i = 10%$. Cửa mái có nhịp $L_{cm} = 12\text{ m}$, chiều cao cửa mái $H_{cm} = 2500\text{ mm}$ ($2 \times 1250\text{ mm}$), bố trí bậu cửa dưới cao $600\text{ mm}$, bậu cửa trên cao $400\text{ mm}$ và cánh cửa lật lấy gió cao $1200\text{ mm}$.
  • Hệ giằng: Bố trí hệ giằng cánh trên, hệ giằng cánh dưới, hệ giằng đứng của dàn vì kèo mái và hệ giằng cột tại các bước đầu hồi và giữa khối nhiệt độ nhằm đảm bảo độ cứng không gian cho toàn bộ xưởng dài $90\text{ m}$.

Phần 2: Xác định tải trọng và nội lực

Chương này tập trung lượng hóa toàn bộ các tác động tĩnh và động lên khung ngang:

  • Tải trọng mái và dàn: Tĩnh tải gồm trọng lượng tôn lợp tráng kẽm (tính toán quy đổi theo góc dốc mái $\alpha = 5^\circ 43'$, $\cos\alpha = 0{,}995$), trọng lượng bản thân dàn vì kèo và hệ giằng (tính theo công thức kinh nghiệm phụ thuộc nhịp), trọng lượng khung kết cấu cửa trời, trọng lượng cánh và kính cửa lật. Tĩnh tải mái được quy về các lực tập trung đặt tại các nút dàn (nút biên, nút giữa dàn, nút chân cửa trời, nút đỉnh cửa trời). Hoạt tải sửa chữa mái lấy tiêu chuẩn $p_m^c = 30\text{ daN/m}^2$, hệ số vượt tải $\gamma_Q = 1{,}3$, tương đương $p_m = 39\text{ daN/m}^2$, dồn về một khung thành tải phân bố $234\text{ daN/m}$ và quy thành lực tập trung tại các nút dàn tương ứng.
  • Tải trọng cầu trục tác dụng lên cột:
    • Trọng lượng bản thân dầm cầu trục ước tính với hệ số $\alpha_{dct} = 30$, nhịp $L_{dct} = 6\text{ m}$, cho giá trị tải trọng tập trung $G_{dct} = 30 \times 6^2 = 1080\text{ daN} = 10{,}8\text{ kN}$.
    • Áp lực đứng bánh xe cầu trục: Tra thông số catalogue cần trục 30T với $P_{\max} = 345\text{ kN}$, tổng tải trọng cầu trục $G = 620\text{ kN}$, bố trí 2 bánh xe mỗi bên ($n_0 = 2$). Sử dụng hệ số vượt tải $\gamma_Q = 1{,}1$, hệ số tổ hợp hai cầu chạy $n_{th} = 0{,}9$, tính được giá trị lực nén đứng truyền qua ray lệch tâm xuống vai cột thông qua đường ảnh hưởng bánh xe ($\sum y_i$).
    • Lực hãm ngang (lực xô ngang của cầu trục): Với tổng trọng lượng xe con $G_{xc} = 120\text{ kN}$, móc mềm có hệ số ma sát $f_{ms} = 0{,}1$, tổng lực hãm toàn cầu trục là $T_0 = 21\text{ kN}$, lực hãm tiêu chuẩn trên một bánh xe $T_1^c = 10{,}5\text{ kN}$. Lực xô ngang tính toán $T$ đặt tại mặt trên dầm cầu chạy, cách vai cột $0{,}6\text{ m}$ (cao trình $+9{,}0\text{ m}$).
  • Tải trọng gió: Công trình xây dựng tại Hải Phòng, vùng gió IV-B, địa hình B. Giá trị áp lực gió tiêu chuẩn $q_0 = 1{,}55\text{ kN/m}^2$. Hệ số độ cao $k$ tại cao trình $10\text{ m}$ là $1{,}0736$. Tác giả tính toán áp lực gió tác dụng lên cột (chia thành gió đẩy và gió hút dạng phân bố đều), áp lực gió đẩy ngang tại thân dàn, và gió bốc mái tác dụng cục bộ lên các nút cánh trên của dàn và cửa trời (gió thổi từ trái sang và lấy đối xứng từ phải sang).
  • Phân tích và tổ hợp nội lực:
    • Thiết lập và xuất biểu đồ mô men uốn ($M$), lực dọc ($N$), lực cắt ($Q$) cho 8 trường hợp tải trọng riêng biệt: Tĩnh tải, hoạt tải mái, áp lực đứng cầu trục tác dụng bên trái ($D_{\max}$ trái), áp lực đứng cầu trục bên phải ($D_{\max}$ phải), lực hãm xô trái, lực hãm xô phải, gió thổi từ trái sang phải, gió thổi từ phải sang trái.
    • Tổng hợp nội lực tại 4 tiết diện đặc trưng của cột (tiết diện A-A đỉnh cột trên, B-B chân cột trên/vai cột, C-C đỉnh cột dưới, D-D chân cột ngàm móng).
    • Lập bảng tổ hợp nội lực cơ bản 1 (tĩnh tải kết hợp một hoạt tải chính) và tổ hợp nội lực cơ bản 2 (tĩnh tải kết hợp nhiều hoạt tải nhân hệ số giảm $0{,}9$). Tại tiết diện nguy hiểm chân cột, mô men uốn tính toán lớn nhất trong tổ hợp cơ bản 1 đạt $M_{\max} = 749{,}52\text{ kNm}$ và trong tổ hợp cơ bản 2 đạt $M_{\max} = 836{,}00\text{ kNm}$.
  • Kiểm tra chuyển vị khung ngang: Chuyển vị ngang tại đỉnh cột trên và độ võng thẳng đứng tại các mắt dàn dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải được so sánh với giới hạn chuyển vị cho phép, kết luận kết cấu khung đảm bảo điều kiện độ cứng sử dụng bình thường.

Phần 3: Thiết kế cột

Phần tính toán cấu kiện cột thực hiện kiểm tra chi tiết theo các bước nghiêm ngặt:

  • Thông số vật liệu: Cường độ tính toán của thép CCT34 lấy $f = 21\text{ kN/cm}^2$ đối với bản thép dày $t \le 20\text{ mm}$, mô đun đàn hồi $E = 21000\text{ kN/cm}^2$, hệ số điều kiện làm việc $\gamma_c = 1{,}0$.
  • Nội lực tính toán và chiều dài tính toán:
    • Cột trên chịu mô men uốn tính toán $M = 170\text{ kNm}$ (đi kèm lực nén tương ứng). Cột dưới chịu cặp nội lực nguy hiểm nhất tại nhánh cầu trục (nhánh 1) $M = -980{,}172\text{ kNm}$, lực cắt lớn nhất do tải gió gây ra $Q_{\max} = 165{,}39\text{ kN}$.
    • Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung được xác định qua tỉ số độ cứng đơn vị và tỉ số lực nén giữa hai phần cột, tra bảng quy đổi được hệ số $\mu_1 = 2$ cho cột trên và $\mu_2 = 3$ cho cột dưới. Chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng lấy theo khoảng cách các điểm giằng kết cấu.
  • Thiết kế tiết diện cột trên:
    • Chọn tiết diện chữ I tổ hợp từ 3 bản thép đối xứng: Chiều cao $h_t = 500\text{ mm}$, chiều rộng cánh $b_f = 200\text{ mm}$, chiều dày bản cánh $t_f = 10\text{ mm}$, chiều dày bản bụng $t_w = 10\text{ mm}$.
    • Kiểm tra ứng suất bền, độ mảnh tổng thể ($\lambda_x, \lambda_y$), độ lệch tâm tương đối $m$, kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn và ngoài mặt phẳng uốn theo tổ hợp nguy hiểm ($1+7$) tại tiết diện D-D với mô men đầu cột $M_{tu} = -35{,}35\text{ kNm}$.
    • Kiểm tra ổn định cục bộ: Bản cánh kiểm tra theo tỉ số $b_0 / t_f$, bản bụng kiểm tra theo tỉ số $h_0 / t_w$ dưới điều kiện chịu nén uốn lệch tâm lớn ($m = 24{,}522 > 1$). Kết luận tiết diện cột trên thỏa mãn toàn bộ các điều kiện ổn định và cường độ.
  • Thiết kế tiết diện cột dưới (cột rỗng hai nhánh):
    • Khoảng cách hai trục nhánh $C = h_d = 1000\text{ mm}$. Giả thiết khoảng cách trọng tâm đến nhánh cầu trục $y_1 = 0{,}55\text{ m}$ và đến nhánh mái $y_2 = 0{,}45\text{ m}$. Bề rộng tiết diện chọn $b = 350\text{ mm}$.
    • Nhánh cầu trục (nhánh 1): Thiết kế dạng thép chữ I tổ hợp từ 3 bản thép, diện tích $A_{nh1} = 33 \times 1 + 2 \times 20 \times 1 = 73\text{ cm}^2$, mô men quán tính $I_{x1} = 1336{,}083\text{ cm}^4$, $I_{y1} = 14858{,}08\text{ cm}^4$.
    • Nhánh mái (nhánh 2): Thiết kế tổ hợp từ một thép bản PL320x10 và hai thép góc đều cạnh 2L100x10 ($A_{1g} = 19{,}83\text{ cm}^2$), tổng diện tích $A_{nh2} = 51{,}4\text{ cm}^2$, mô men quán tính $I_{x2} = 348{,}055\text{ cm}^4$, $I_{y2} = 11562\text{ cm}^4$.
    • Toàn tiết diện cột dưới: Khoảng cách thực tế giữa hai trục nhánh $C = 100 - 2{,}456\text{ cm}$, tổng diện tích $A = 98{,}4\text{ cm}^2$ (trong tính toán hình học nhánh), mô men quán tính cột trên $I_{ct} = 33229\text{ cm}^4$ và cột dưới $I_{cd} = 342066\text{ cm}^4$, thỏa mãn sai số giả thiết độ cứng ban đầu.
    • Hệ thanh bụng: Chọn thanh bụng xiên bằng thép góc L80x8 ($A = 12{,}57\text{ cm}^2$), bố trí khoảng cách điểm giằng $0{,}84\text{ m}$, góc nghiêng thanh xiên $\alpha = 49^\circ$. Kiểm tra ứng suất thanh giằng xiên chịu lực cắt thực tế $Q_{thucte} = 165{,}39\text{ kN}$ lớn hơn lực cắt quy ước $Q_{qu}$, hệ số uốn dọc $\varphi = 0{,}663$, thỏa mãn điều kiện ổn định chịu nén. Thanh bụng ngang chọn theo độ mảnh giới hạn $[\lambda] = 150$ bằng thép góc L50x5.
    • Kiểm tra ổn định nhánh và toàn cột: Kiểm tra ổn định riêng rẽ từng nhánh (nhánh 1 có hệ số $\varphi = 0{,}826$, nhánh 2 có $\varphi = 0{,}816$), kiểm tra ổn định tổng thể toàn thân cột quanh trục ảo ($x-x$) theo hai cặp nội lực nguy hiểm ($M_1 = -980{,}67\text{ kNm}$ với $\varphi_{lt} = 0{,}188$ và $M_2 = 863{,}172\text{ kNm}$ với $\varphi_{lt} = 0{,}113$). Cột rỗng thỏa mãn khả năng chịu lực.
    • Tính toán liên kết: Thiết kế đường hàn liên kết thanh giằng xiên vào bản cánh nhánh cột, tính toán cấu tạo chi tiết vai cột đỡ dầm cầu chạy và chi tiết chân cột ngàm vào móng bằng bản đế, sườn gia cường và bu-lông neo.

Phần 4: Thiết kế dàn

Chương này trình bày quy trình tính toán hệ thanh và cấu tạo nút dàn vì kèo mái:

  • Nội lực tính toán và tổ hợp thanh dàn: Nội lực từng thanh dàn được xác định qua các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất để tìm lực kéo lớn nhất ($N_{\max} > 0$) và lực nén lớn nhất ($N_{\min} < 0$).
  • Xác định tiết diện các thanh dàn chính: Lựa chọn thép góc ghép đôi thành hình chữ T hoặc chữ thập:
    • Thanh xiên đầu dàn (thanh 4-9): Cấu kiện chịu lực nén lớn nhất truyền tải trọng từ dàn xuống cột.
    • Thanh cánh dưới: Kiểm tra các đoạn thanh 7-14, 23-31, 43-52 theo điều kiện chịu kéo đúng tâm kết hợp độ mảnh giới hạn $[\lambda]$.
    • Thanh cánh trên: Kiểm tra các đoạn thanh 6-10-13-18, 22-26-23, 45 theo điều kiện chịu nén uốn trong và ngoài mặt phẳng dàn.
  • Cấu tạo chi tiết nút dàn: Thiết kế chi tiết các bản mã, đường hàn liên kết thanh dàn vào bản mã, chi tiết liên kết khớp đỉnh cột với dàn gồm nút trên (CT-01), nút dưới (CT-02) và nút liên kết khuếch đại đỉnh dàn tại nút số 26 (ký hiệu bản vẽ CT-05) phục vụ chia đốt dàn khi vận chuyển và lắp dựng tại công trường.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành trọn vẹn bộ số liệu tính toán và kiểm tra kỹ thuật cho toàn bộ các cấu kiện của khung ngang thép nhà công nghiệp một tầng:

Bảng tổng hợp tiết diện và kiểm tra khả năng chịu lực của các cấu kiện chính

Cấu kiện Kích thước / Quy cách hình học Trọng lượng / Diện tích Điều kiện kiểm tra chính Kết luận kỹ thuật
Cột trên Thép chữ I đối xứng tổ hợp hàn: $h_t = 500\text{ mm}$, $b_f = 200\text{ mm}$, $t_w = t_f = 10\text{ mm}$ Chiều cao $H_t = 4{,}0\text{ m}$ Ổn định tổng thể trong/ngoài mặt phẳng; Ổn định cục bộ bản cánh, bản bụng Đảm bảo an toàn chịu lực
Cột dưới (Nhánh cầu trục) Thép chữ I tổ hợp hàn 3 bản thép $A_{nh1} = 73{,}0\text{ cm}^2$ Ổn định nhánh nén uốn ($\varphi = 0{,}826$) Đạt yêu cầu ứng suất
Cột dưới (Nhánh mái) Thép bản PL320x10 kết hợp 2 thép góc 2L100x10 $A_{nh2} = 51{,}4\text{ cm}^2$ Ổn định nhánh nén uốn ($\varphi = 0{,}816$) Đạt yêu cầu ứng suất
Hệ thanh bụng cột dưới Thanh xiên: Thép góc L80x8; Thanh ngang: Thép góc L50x5 Thanh xiên $A = 12{,}57\text{ cm}^2$, góc $\alpha = 49^\circ$ Chịu lực cắt tính toán $Q = 165{,}39\text{ kN}$; Độ mảnh $[\lambda] \le 150$ Đảm bảo ổn định chịu nén
Dàn mái và Cửa mái Dàn hình thang nhịp $30\text{ m}$, dốc $10%$, cửa mái nhịp $12\text{ m}$, cao $2{,}5\text{ m}$ Thép góc ghép đôi cho các thanh cánh và thanh bụng Kiểm tra chuyển vị võng đứng mắt dàn, liên kết nút CT-01, CT-02, CT-05 Đảm bảo độ cứng và khả năng chịu lực

Về mặt giải pháp kỹ thuật, tác giả đề xuất sử dụng cấu tạo cột dưới dạng rỗng phân nhánh không đối xứng, kết hợp một nhánh cánh chữ I chịu tải trọng động nặng từ cầu trục và một nhánh thép góc ghép bản chịu tải trọng tường/mái, giúp tối ưu hóa khối lượng kim loại sử dụng so với giải pháp cột đặc cùng mô men quán tính. Đồ án xử lý thành công nút liên kết chân cột chịu mô men lớn ngàm vào móng bê tông B15 thông qua hệ sườn truyền lực và bu-lông neo.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc cụ thể hóa quy trình áp dụng Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 5575:2012 vào bài toán thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp một tầng chịu tải trọng gió ven biển (áp lực gió Hải Phòng $1{,}55\text{ kN/m}^2$, địa hình B) kết hợp hoạt động đồng thời của 2 cầu trục sức nâng lớn (30 tấn).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đồ án:
    • Số liệu tính toán giả định tải trọng gió phân bố trên cột được quy đổi gần đúng về dạng hình chữ nhật hoặc hình thang tương đương, chưa mô phỏng chi tiết tương tác khí động học ba chiều cục bộ tại các góc mái giật cấp của hệ thống cửa thông gió.
    • Chiều cao chôn chân cột dưới móng được giả định bằng 0 ($H_m = 0$) để đơn giản hóa sơ đồ tính cơ học mà chưa xét đến độ sâu đặt móng thực tế theo điều kiện địa chất công trình tại khu vực ven biển Hải Phòng.
    • Bu-lông liên kết và bu-lông neo chân cột được lựa chọn theo giải pháp cấu tạo mà chưa có phần mô phỏng tính toán chi tiết sự phân bố ứng suất cục bộ trong thân móng bê tông cấp bền B15.
  • Hướng hoàn thiện tiếp theo:
    • Mở rộng kiểm tra khung ngang khi xét đến tương tác không gian ba chiều của toàn bộ hệ khung xưởng dài 90m thông qua các phần mềm phần tử hữu hạn chuyên dụng.
    • Nghiên cứu chi tiết giải pháp liên kết chân móng ngàm sâu chịu tác động của mực nước ngầm hoặc môi trường xâm thực mặn tại vùng duyên hải.

Giá trị tham khảo

Đồ án môn học này là tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, hoặc các kỹ sư đang thực hiện đồ án tốt nghiệp và thiết kế nhà xưởng thép một tầng có nhịp lớn ($30\text{ m}$) trang bị cầu trục công nghiệp nặng.

Các phần nội dung có giá trị áp dụng thực tiễn cao bao gồm:

  1. Phương pháp xác định các kích thước hình học chính của khung ngang (bước nhảy trục $a = 250\text{ mm}$, khoảng cách tim ray $\lambda = 750\text{ mm}$) phối hợp đồng bộ với thông số catalogue cầu trục KP40.
  2. Quy trình lập đường ảnh hưởng để xác định áp lực bánh xe cầu trục lớn nhất ($D_{\max}$), nhỏ nhất ($D_{\min}$) và lực hãm ngang xe con ($T$) lên khung ngang.
  3. Trình tự kiểm tra ổn định tổng thể và ổn định cục bộ của cột rỗng hai nhánh theo tiêu chuẩn TCVN 5575:2012, đặc biệt là phương pháp xác định hệ số uốn dọc lệch tâm qua trục ảo ($\varphi_{lt}$).
  4. Cấu tạo các nút dàn vì kèo hình thang và nút khuếch đại đỉnh dàn (CT-05).

Câu hỏi thường gặp

1. Khung nhà xưởng trong đồ án được thiết kế với những thông số hình học và quy mô cơ bản nào?
Khung ngang có nhịp $L = 30\text{ m}$, chiều dài toàn nhà $\Sigma B = 90\text{ m}$, bước cột $B = 6\text{ m}$ (15 bước khung). Cao trình đỉnh ray cầu trục đặt ở mức $+9{,}2\text{ m}$, chiều cao cột dưới $H_d = 8{,}4\text{ m}$, chiều cao cột trên $H_t = 4{,}0\text{ m}$. Dàn mái hình thang có độ dốc $10%$, chiều cao đầu dàn $H_0 = 2{,}2\text{ m}$, chiều cao giữa dàn $h_{gd} = 3{,}7\text{ m}$, đi kèm hệ cửa mái rộng $12\text{ m}$ và cao $2{,}5\text{ m}$.

2. Tiêu chuẩn nào được áp dụng để xác định tải trọng gió và tải trọng gió tại vị trí xây dựng công trình là bao nhiêu?
Tải trọng gió được tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995. Địa điểm xây dựng giả định tại Hải Phòng thuộc vùng áp lực gió IV-B, dạng địa hình B, có áp lực gió tiêu chuẩn $q_0 = 1{,}55\text{ kN/m}^2$. Tại độ cao $10\text{ m}$, hệ số điều chỉnh theo độ cao và địa hình lấy $k = 1{,}0736$, hệ số tin cậy vượt tải gió $\gamma_Q = 1{,}2$.

3. Tiết diện cột trên và cột dưới được tác giả lựa chọn cấu tạo bằng loại thép nào?
Vật liệu kết cấu là thép CCT34 có cường độ tính toán chịu kéo, nén, uốn $f = 21\text{ kN/cm}^2$ (với chiều dày bản thép $t \le 20\text{ mm}$). Cột trên dùng tiết diện chữ I đối xứng đặc tổ hợp hàn ($h_t = 500\text{ mm}$, $b_f = 200\text{ mm}$, $t_w = t_f = 10\text{ mm}$). Cột dưới dùng tiết diện rỗng hai nhánh cách nhau $1000\text{ mm}$: nhánh cầu trục là chữ I tổ hợp hàn 3 bản thép ($A_{nh1} = 73\text{ cm}^2$), nhánh mái tổ hợp từ 1 bản thép PL320x10 và hai thép góc 2L100x10 ($A_{nh2} = 51{,}4\text{ cm}^2$).

4. Vì sao hệ thanh bụng cột dưới sử dụng hai loại thép góc khác nhau (L80x8 và L50x5)?
Thanh bụng xiên chịu lực cắt thực tế lớn do tải gió và lực xô ngang của cầu trục gây ra ($Q_{thucte} = 165{,}39\text{ kN}$), do đó tác giả chọn thép góc L80x8 ($A = 12{,}57\text{ cm}^2$) và kiểm tra theo điều kiện ổn định chịu nén với góc nghiêng $\alpha = 49^\circ$. Ngược lại, thanh bụng ngang chịu lực cắt quy ước nhỏ nên được tính toán và lựa chọn theo điều kiện độ mảnh giới hạn $[\lambda] = 150$, dẫn đến việc sử dụng thép góc kích thước nhỏ hơn là L50x5.

5. Lực xô ngang của cầu trục tác dụng lên khung ngang được tính toán như thế nào và đặt tại vị trí nào?
Lực hãm xô ngang được xác định dựa trên tổng trọng lượng cầu trục $Q + G_{xc} = 300\text{ kN} + 120\text{ kN} = 420\text{ kN}$, giả thiết móc mềm với hệ số ma sát $f_{ms} = 0{,}1$, tổng lực hãm cầu trục là $T_0 = 21\text{ kN}$, lực hãm tiêu chuẩn cho một bánh xe là $T_1^c = 10{,}5\text{ kN}$. Sau khi nhân hệ số vượt tải $\gamma_Q = 1{,}1$ và hệ số tổ hợp hai cầu chạy $n_{th} = 0{,}9$ cùng tung độ đường ảnh hưởng bánh xe, lực xô ngang tính toán được đặt tại mặt trên dầm cầu chạy ở cao trình $+9{,}0\text{ m}$ (cách vai cột $0{,}6\text{ m}$).

Kết luận

Bản thuyết minh đồ án môn học Kết cấu thép của sinh viên Trần Nhật Linh đã giải quyết đầy đủ và logic nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật khung ngang nhà công nghiệp một tầng nhịp 30m chịu tải trọng 2 cầu trục 30T tại Hải Phòng. Mọi bước tính toán từ xác định kích thước hình học, dồn tải trọng, phân tích tổ hợp nội lực đến kiểm tra ổn định cột thép phân nhánh và thiết kế chi tiết dàn mái đều tuân thủ các quy định của TCVN 5575:2012 và TCVN 2737:1995. Kết quả tính toán đảm bảo điều kiện an toàn chịu lực, độ cứng chuyển vị của kết cấu và cung cấp giải pháp cấu tạo chi tiết hoàn chỉnh phục vụ thi công lắp dựng.