Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật xây dựng công trình công nghiệp, kết cấu thép là giải pháp kết cấu chịu lực tối ưu cho các nhà xưởng, nhà kho có nhịp lớn và trang bị hệ thống cầu trục vận hành nặng. Đồ án "Thiết kế kết cấu thép" do sinh viên Lê Văn Hiếu thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên Bùi Thanh Chiến tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho hệ khung ngang chịu lực của nhà công nghiệp một tầng, một nhịp bằng thép định hình và thép tổ hợp hàn.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể trong đồ án được xác định theo trình tự kỹ thuật như sau:

  1. Xác định kích thước hình học chính của khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp dựa trên các thông số công năng và yêu cầu vận hành của cầu trục.
  2. Thiết kế hệ kết cấu phụ trợ và bao che bao gồm hệ giằng không gian (giằng mái, giằng cột), hệ tấm lợp tole sóng, hệ xà gồ mái và hệ sườn tường chịu lực.
  3. Xác định và phân tích toàn bộ các tải trọng tác dụng lên khung ngang (tĩnh tải kết cấu, hoạt tải sửa chữa mái, tải trọng gió, áp lực đứng và lực hãm ngang của cầu trục).
  4. Phân tích nội lực khung ngang dưới tác dụng của các trường hợp chất tải độc lập và lập bảng tổ hợp nội lực (COMB1 đến COMB69) cùng biểu đồ bao nội lực để tìm ra các tổ hợp nguy hiểm nhất.
  5. Thiết kế và kiểm tra tiết diện chịu lực của các cấu kiện chính gồm cột thép tiết diện không đổi và xà ngang tiết diện thay đổi theo điều kiện độ bền và ổn định.
  6. Thiết kế chi tiết cấu tạo các nút liên kết quan trọng: vai cột đỡ dầm cầu trục, chân cột ngàm liên kết móng, liên kết nách khung (cột - xà), mối nối đỉnh xà, mối nối xà ở nhịp và chi tiết thanh căng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Khung ngang chịu lực chính của nhà xưởng công nghiệp một tầng, một nhịp bằng kết cấu thép mác CCT34, trang bị cầu trục sức nâng $Q = 10\text{ T}$ ($100\text{ kN}$).
  • Phạm vi không gian: Công trình được giả định xây dựng tại TP. Cần Thơ, thuộc vùng áp lực gió II-A với dạng địa hình loại A.
  • Phạm vi kỹ thuật: Tính toán thiết kế kết cấu thép khung phẳng theo trạng thái giới hạn (về khả năng chịu lực và điều kiện sử dụng bình thường) dựa trên các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế

Đồ án áp dụng hệ thống lý thuyết tính toán kết cấu thép theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam và các tài liệu chuyên ngành:

  • Tiêu chuẩn tải trọng: Tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 "Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế" được sử dụng để tra cứu và tính toán áp lực gió cơ bản ($W_0 = 83\text{ kg/m}^2$), hệ số khí động $C_e$, hệ số thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình $k = 1{,}126$, cùng hoạt tải thi công sửa chữa mái tôn $p^{tc} = 30\text{ kg/m}^2$.
  • Tài liệu tra cứu chuyên ngành: Sách "Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp" của TS. Phạm Minh Hà dùng để tra cứu thông số kỹ thuật cầu trục $Q = 10\text{ T}$ (nhịp cầu trục $L_k$, bề rộng gabarit $B_k$, khoảng cách đuôi cầu trục $Z_{min}$, áp lực bánh xe $P_{max}, P_{min}$) và các công thức cấu tạo hình học khung ngang.
  • Đặc trưng cơ lý của vật liệu:
    • Thép kết cấu mác CCT34 có cường độ tính toán chịu kéo/nén/uốn $f = 210\text{ N/mm}^2 = 2100\text{ kG/cm}^2$, cường độ chịu cắt $f_v = 120\text{ N/mm}^2 = 1200\text{ kG/cm}^2$, cường độ kéo đứt tiêu chuẩn $f_u = 320\text{ N/mm}^2 = 3200\text{ kG/cm}^2$ (áp dụng cho thép có chiều dày $t \le 20\text{ mm}$). Modun đàn hồi của thép $E = 2{,}1 \times 10^6\text{ kG/cm}^2$.
    • Que hàn mác N42, sử dụng phương pháp hàn tay với hệ số đường hàn $\beta_h = 0{,}1$, kiểm tra cường độ đường hàn bằng phương pháp siêu âm.

Phương pháp tính toán và xử lý dữ liệu được triển khai gồm:

  • Phương pháp giải tích cơ học kết cấu: Sử dụng sơ đồ tính dầm đơn giản và dầm liên tục cho tấm tôn, xà gồ, dầm sườn tường; tính toán xà gồ C theo bài toán cấu kiện chịu uốn xiên trong hai mặt phẳng ($x-x$ và $y-y$).
  • Phương pháp đường ảnh hưởng: Thiết lập đường ảnh hưởng phản lực gối tựa của dầm cầu trục để xác định áp lực thẳng đứng bất lợi nhất ($D_{max}, D_{min}$) và lực hãm ngang ($T$) truyền từ bánh xe cầu trục vào vai cột.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn và tổ hợp nội lực: Mô hình hóa khung ngang phẳng chịu lực đàn hồi dưới tác động của 11 trường hợp tải trọng độc lập; tiến hành lập bảng tổ hợp nội lực với 69 trường hợp tổ hợp cơ bản (tổ hợp cơ bản 1 gồm tĩnh tải + 1 hoạt tải; tổ hợp cơ bản 2 gồm tĩnh tải + $0{,}9 \times$ các hoạt tải) và xây dựng biểu đồ bao mô men, lực cắt, lực dọc.
  • Phương pháp kiểm tra trạng thái giới hạn: Kiểm tra ứng suất pháp lớn nhất $\sigma \le \gamma_c f$ (với hệ số điều kiện làm việc $\gamma_c = 1$), ổn định tổng thể, ổn định cục bộ bản cánh/bản bụng và độ võng đàn hồi $f/L \le [f/L] = 1/200$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Xác định các kích thước chính của khung ngang

Chương 1 thiết lập các thông số hình học tổng thể của khung ngang dựa trên dữ liệu thiết kế:

  • Nhịp khung ngang: $L = 28\text{ m}$.
  • Bước khung: $B = 8\text{ m}$ (trong tính toán tải trọng các chương sau sử dụng bước khung tính toán truyền tải $B = 6\text{ m}$).
  • Cầu trục sức nâng: $Q = 10\text{ T}$, chiều cao gabarit $H_k = 960\text{ mm}$, khối lượng toàn bộ cầu trục $G = 11\text{ T}$, nhịp cầu trục $L_k = 26{,}5\text{ m}$ (khoảng cách trục ray $L_k = 25{,}5\text{ m}$ theo catalo).
  • Kích thước theo phương đứng:
    • Chiều cao từ mặt ray đến đáy xà ngang: $H_2 = H_k + b_k = 0{,}96 + 0{,}2 = 1{,}16\text{ m}$ ($b_k = 0{,}2\text{ m}$ là khe hở an toàn).
    • Chiều cao phần cột trên (từ vai cột đến đáy xà ngang): $H_t = H_2 + H_{dct} + H_r = 1{,}16 + 0{,}6 + 0{,}2 = 1{,}96\text{ m}$ (với chiều cao dầm cầu trục $H_{dct} = 0{,}6\text{ m}$, chiều cao ray và đệm $H_r = 0{,}2\text{ m}$).
    • Chiều cao phần cột dưới: $H_d = 4{,}9\text{ m}$. Chiều cao toàn bộ cột $H = H_d + H_t = 4{,}9 + 1{,}96 = 6{,}86\text{ m}$. Phần cột chôn dưới cốt nền $H_3 = 0\text{ m}$. Cao trình đỉnh ray $H_1 = 4{,}9 + 0{,}6 + 0{,}2 = 5{,}7\text{ m}$.
  • Kích thước theo phương ngang:
    • Trục định vị trùng với mép ngoài của cột ($a = 0$).
    • Khoảng cách từ trục định vị đến trục ray: $L_1 = (L - L_k)/2 = (28 - 26{,}5)/2 = 0{,}75\text{ m}$.
    • Chiều cao tiết diện cột chọn theo điều kiện độ cứng: $h = 400\text{ mm} = 0{,}4\text{ m}$.
    • Kiểm tra khe hở an toàn giữa cầu trục và cột: $z = L_1 - h = 0{,}75 - 0{,}4 = 0{,}35\text{ m} > z_{min} = 0{,}075\text{ m}$ (thỏa mãn yêu cầu gabarit).

Chương 2. Thiết kế hệ giằng

Chương 2 bố trí hệ giằng không gian nhằm đảm bảo độ cứng tổng thể và ổn định cho công trình:

  • Hệ giằng mái: Bố trí trong mặt phẳng thân cánh trên tại hai đầu hồi nhà, đầu khối nhiệt độ và ở giữa nhà, khoảng cách giữa các khối giằng không quá 5 bước cột. Các thanh giằng chéo chữ thập sử dụng thép tròn đường kính $\phi 20$.
  • Hệ giằng cột: Bố trí tại các gian có hệ giằng mái nhằm truyền lực dọc nhà (gió đầu hồi, lực hãm dọc cầu trục) xuống móng. Sử dụng thanh giằng chéo bằng thép tròn $\phi 20$ và thanh giằng đầu cột là thép hình chữ C số hiệu 6CS2.5x105 có trọng lượng bản thân $g = 6{,}29\text{ kg/m}$.

Chương 3. Thiết kế tấm lợp tole

Chương 3 tính toán tấm tôn sóng bao che mái theo mô hình dầm liên tục/dầm đơn giản với bề rộng dải tính toán $B = 100\text{ cm}$:

  • Tôn sóng có chiều dày $\delta = 0{,}4\text{ mm}$, khối lượng riêng $\gamma_T = 7850\text{ kg/m}^3$, trọng lượng tiêu chuẩn $g^{tc} = 1{,}2 \times \delta \times \gamma_T = 1{,}2 \times 0{,}0004 \times 7850 = 3{,}768\text{ kg/m}^2$.
  • Tải trọng gió bốc tác dụng lên mái tính với $W_0 = 83\text{ kg/m}^2$, hệ số $k = 1{,}126$, hệ số khí động nguy hiểm nhất $C_e = -0{,}7$, hệ số vượt tải $n = 1{,}2$.
  • Hoạt tải sửa chữa mái $p^{tc} = 30\text{ kg/m}^2$, hệ số vượt tải $n_p = 1{,}3$.
  • Đặc trưng hình học tiết diện dải tôn: mô men quán tính $I_x = 3{,}87\text{ cm}^4$.
  • Kết quả kiểm tra: Tấm tôn đạt điều kiện bền với ứng suất $\sigma < f \times \gamma_c = 2100\text{ kg/cm}^2$ và điều kiện độ võng $f/L \le [f/L] = 1/200 = 0{,}005$.

Chương 4. Thiết kế hệ xà gồ

Chương 4 thiết kế xà gồ mái bằng thép dập nguội tiết diện chữ C:

  • Số hiệu xà gồ: 6CS2.5x105 có kích thước chiều cao $D = 150\text{ mm}$, bề rộng cánh $B = 64\text{ mm}$, chiều dày thành $t = 2{,}8\text{ mm}$, diện tích tiết diện $A = 8{,}1\text{ cm}^2$, trọng lượng bản thân $g_{xg} = 6{,}296\text{ kg/m}$.
  • Khoảng cách bố trí xà gồ theo mặt bằng: $a = 1\text{ m}$. Độ dốc mái $i = 12%$ ($\alpha = 6{,}84^\circ$, $\cos\alpha = 0{,}993$, $\sin\alpha = 0{,}119$).
  • Sơ đồ tính: Dầm đơn giản nhịp $B = 6\text{ m}$ chịu uốn xiên hai phương dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng có gió ($q^* = 67{,}96\text{ kg/m}$).
  • Kết quả kiểm tra:
    • Ứng suất uốn lớn nhất $\sigma = \frac{M_x}{W_x} + \frac{M_y}{W_y} \le \gamma_c R = 2100\text{ kG/cm}^2$.
    • Độ võng tổng hợp thỏa mãn $f/L \le [f/L] = 1/200$.

Chương 5. Thiết kế hệ sườn tường

Chương 5 tính toán hệ dầm sườn tường đỡ vách tole che bao che xung quanh nhà:

  • Tiết diện lựa chọn: Thép cán nguội chữ C số hiệu 6CS2.5x105 ($D = 150\text{ mm}, B = 64\text{ mm}, t = 2{,}8\text{ mm}, g_{st} = 6{,}29\text{ kg/m}$, $W_x = 38{,}349\text{ cm}^3, W_y = 10{,}358\text{ cm}^3$).
  • Bố trí: Khoảng cách giữa các dầm sườn tường $a = 1\text{ m}$, chiều cao tường $6{,}86\text{ m}$ tương ứng với 8 dầm sườn tường trên một bước khung.
  • Tải trọng tính toán: Phương đứng chịu trọng lượng bản thân và tấm vách ($q_x^{tt} = 11{,}064\text{ kG/m}$); phương ngang chịu tải trọng gió ($W_0 = 83\text{ kg/m}^2, k = 1{,}126, C_e = 0{,}8, n = 1{,}2$).
  • Kết quả kiểm tra: Dầm sườn tường nhịp $6\text{ m}$ thỏa mãn cả điều kiện bền chịu uốn hai phương ($\sigma < 2100\text{ kG/cm}^2$) và điều kiện độ võng giới hạn.

Chương 6. Tải trọng tác dụng lên khung ngang

Chương 6 tổng hợp các thành phần tải trọng tác động lên khung ngang phẳng:

  • Tĩnh tải:
    • Tĩnh tải phân bố trên xà ngang (gồm tôn lợp, xà gồ và trọng lượng bản thân xà ngang $100\text{ kG/m}$): $q = 186{,}558\text{ kG/m}$.
    • Tải trọng tập trung tại đỉnh cột (sườn tường $Q_{st} = 545{,}98\text{ kG}$ và giằng cột $Q_{gc} = 83{,}028\text{ kG}$): $Q = 629{,}008\text{ kG}$.
    • Tải trọng dầm cầu trục tập trung đặt tại cao trình vai cột: $Q_{dct} = 630\text{ kG}$.
  • Hoạt tải mái: Hoạt tải sửa chữa phân bố trên xà ngang $q_{ht} = 235\text{ kG/m}$ (xét 3 trường hợp: chất đầy cả mái, chất nửa mái trái, chất nửa mái phải).
  • Tải trọng gió: Áp lực gió đẩy lên cột đón gió $538\text{ kG/m}$, cột khuất gió $336\text{ kG/m}$; lực hút trên mái đón gió $159\text{ kG/m}$, mái khuất gió $269\text{ kG/m}$ (xét cả hai chiều gió trái và gió phải).
  • Hoạt tải cầu trục:
    • Áp lực đứng lớn nhất của bánh xe lên ray: $D_{max} = 178{,}5\text{ kN} = 17850\text{ kG}$, $D_{min} = 53{,}3\text{ kN} = 5330\text{ kG}$ (với $\sum y_i = 2{,}7$, hệ số vượt tải $\gamma_p = 1{,}1$, hệ số tổ hợp $n_c = 0{,}85$).
    • Độ lệch tâm lực đứng so với trục cột: $e = L_1 - 0{,}5h = 0{,}75 - 0{,}5 \times 0{,}5 = 0{,}5\text{ m}$. Mô men lệch tâm tương ứng: $M_{max} = 89{,}25\text{ kN.m}$, $M_{min} = 26{,}65\text{ kN.m}$.
    • Lực hãm ngang tiêu chuẩn của cầu trục truyền vào cột tại cao trình dầm hãm (cách vai cột $0{,}7\text{ m}$): $T = 681{,}615\text{ kG}$.
  • Tổ hợp nội lực: Lập ma trận tổ hợp nội lực từ COMB1 đến COMB69 và vẽ biểu đồ bao nội lực ($M, Q, N$). Xác định các cặp nội lực nguy hiểm nhất tại các tiết diện chân cột, vai cột, nách khung và đỉnh mái (ví dụ: $M_{max} = 23485{,}33\text{ kG.m}$ tại chân cột trong COMB51).
Thành phần tải trọng Giá trị tính toán Vị trí / Sơ đồ tác dụng
Tĩnh tải phân bố xà ngang $186{,}558\text{ kG/m}$ Phân bố đều dọc chiều dài thanh xà
Tĩnh tải tập trung đỉnh cột $629{,}008\text{ kG}$ Đặt tại nút liên kết đỉnh cột
Tĩnh tải dầm cầu trục $630\text{ kG}$ Đặt tại cao trình vai cột
Hoạt tải sửa chữa mái $235\text{ kG/m}$ Chất đầy mái / chất nửa mái trái / phải
Tải trọng gió cột đón / khuất $538\text{ kG/m}$ / $336\text{ kG/m}$ Phân bố đều trên thân cột
Tải trọng gió mái đón / khuất $159\text{ kG/m}$ / $269\text{ kG/m}$ Phân bố vuông góc với mặt dốc mái
Áp lực đứng cầu trục $D_{max} / D_{min}$ $17850\text{ kG}$ / $5330\text{ kG}$ Đặt lệch tâm $e = 0{,}5\text{ m}$ tại vai cột
Mô men lệch tâm cầu trục $M_{max} / M_{min}$ $89{,}25\text{ kN.m}$ / $26{,}65\text{ kN.m}$ Đặt tại cao trình vai cột
Lực hãm ngang cầu trục $T$ $681{,}615\text{ kG}$ Đặt tại cao trình dầm hãm (cách vai $0{,}7\text{ m}$)

Chương 7. Thiết kế tiết diện cấu kiện

Chương 7 tính toán chọn và kiểm tra tiết diện cột và xà ngang:

  • Thiết kế tiết diện cột:
    • Lựa chọn cột tổ hợp chữ I đối xứng, tiết diện không thay đổi suốt chiều cao.
    • Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung: $l_x = \mu H$ (với hệ số $\mu = \sqrt{\frac{n+0{,}56}{n+0{,}14}}$ tính theo tỷ số độ cứng $n$ với liên kết ngàm chân cột).
    • Chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng khung: $l_y = 3{,}5\text{ m}$ (khoảng cách từ móng đến điểm giằng cột).
    • Kích thước tiết diện cột được chọn: Chiều cao tiết diện $h = 400\text{ mm}$; bản cánh có quy cách $(1 \times 20)\text{ cm}$ ($b_f = 200\text{ mm}, t_f = 10\text{ mm}$); bản bụng có quy cách $(0{,}6 \times 38)\text{ cm}$ ($h_w = 380\text{ mm}, t_w = 6\text{ mm}$).
    • Đặc trưng hình học tiết diện cột: Diện tích $A = 62{,}8\text{ cm}^2$; mô men quán tính $I_x = 17956{,}93\text{ cm}^4$; $I_y = 1334\text{ cm}^4$; mô men kháng uốn $W_x = 898\text{ cm}^3$.
  • Thiết kế tiết diện xà ngang:
    • Đoạn xà đầu cột dài $4\text{ m}$ (đoạn nách xà): thiết kế tiết diện vát thay đổi, chiều cao đầu to tại nách $h = 400\text{ mm}$, bề rộng cánh $b_f = 200\text{ mm}$.
    • Đoạn xà giữa nhịp dài $8\text{ m}$: thiết kế tiết diện không đổi có chiều cao $h_{xn} = 250\text{ mm}$, bề rộng cánh $b_f = 200\text{ mm}$, chiều dày bản bụng $t_w = 6\text{ mm}$.
    • Kiểm tra tiết diện xà ngang dưới tổ hợp mô men âm tại nách khung ($M = 15422{,}34\text{ kG.m}$) và mô men dương lớn nhất tại nhịp.

Chương 8. Thiết kế các chi tiết

Chương 8 triển khai cấu tạo và kiểm tra khả năng chịu lực của các liên kết:

  • Thiết kế vai cột: Tính toán dầm vai chịu phản lực tập trung $D_{max}$ và mô men lệch tâm từ dầm cầu trục truyền vào; kiểm tra độ bền uốn, cắt và đường hàn liên kết dầm vai vào bản cánh cột.
  • Thiết kế chân cột ngàm:
    • Tính toán kích thước bản đế chịu nén mặt tiếp xúc móng bê tông.
    • Tính toán dầm đế, sườn gia cường bản đế (sườn A và sườn B).
    • Tính toán bu lông neo chân cột chịu lực nhổ do mô men uốn gây ra.
    • Tính toán các đường hàn góc liên kết thân cột vào bản đế và dầm đế.
  • Liên kết nách khung (cột với xà ngang): Tính toán liên kết đối đầu sử dụng mặt bích và bu lông cường độ cao chịu mô men âm uốn nách và lực cắt; tính toán đường hàn liên kết mặt bích với tiết diện cột và xà.
  • Thiết kế mối nối đỉnh xà và mối nối xà ở nhịp: Cấu tạo mặt bích liên kết bu lông tại đỉnh nóc và vị trí thay đổi tiết diện xà ngang.
  • Liên kết bản cánh với bản bụng: Tính toán đường hàn góc tự động/bán tự động liên kết cánh - bụng cho cột và xà ngang.
  • Chi tiết thanh căng: Cấu tạo các thanh căng tăng cường độ cứng cho hệ xà gồ mái.

Kết quả và giải pháp kỹ thuật

Toàn bộ quá trình tính toán trong đồ án đã đưa ra giải pháp thiết kế kết cấu thép hoàn chỉnh, thỏa mãn đầy đủ các điều kiện an toàn chịu lực theo TCVN 2737:1995:

Cấu kiện / Chi tiết Tiết diện & Quy cách vật liệu Kết quả kiểm tra kỹ thuật
Tấm tôn mái Sóng tole dày $\delta = 0{,}4\text{ mm}$, $g^{tc} = 3{,}768\text{ kg/m}^2$ Ứng suất uốn $\sigma < 2100\text{ kg/cm}^2$; độ võng $f/L \le 1/200$
Xà gồ mái Thép cán nguội chữ C 6CS2.5x105 ($150 \times 64 \times 2{,}8\text{ mm}$) Thỏa mãn chịu uốn xiên hai phương và điều kiện độ võng
Dầm sườn tường Thép cán nguội chữ C 6CS2.5x105, bước $6\text{ m}$ (8 dầm) Thỏa mãn độ bền ứng suất phẳng và độ võng dưới tải gió
Hệ giằng mái/cột Thép tròn $\phi 20$ và thanh đầu cột chữ C 6CS2.5x105 Đảm bảo độ cứng dọc và truyền tải trọng gió đầu hồi
Cột khung ngang Thép chữ I tổ hợp hàn $400 \times 200 \times 6 \times 10\text{ mm}$ ($A = 62{,}8\text{ cm}^2$) Thỏa mãn ứng suất uốn nén $M_{max} = 23485{,}33\text{ kG.m}$, ổn định tổng thể
Xà ngang Đoạn nách vát $4\text{ m}$ ($h=400\text{ mm}$); Đoạn nhịp $8\text{ m}$ ($h=250\text{ mm}$) Thỏa mãn khả năng chịu mô men âm nách và mô men dương giữa nhịp
Liên kết chân cột Bản đế, dầm đế, sườn gia cường A-B, bu lông neo Chịu ngàm chân cột, truyền ứng suất nén xuống móng an toàn
Liên kết nút khung Mặt bích, bu lông cường độ cao, que hàn N42 Truyền toàn bộ mô men âm nách xà và lực cắt đầu cột

Các giải pháp kỹ thuật chính được đề xuất trong đồ án:

  • Sử dụng xà ngang tiết diện thay đổi (nách xà $h = 400\text{ mm}$ vát dần về $h = 250\text{ mm}$) giúp tối ưu hóa trọng lượng vật liệu thép theo biểu đồ phân bố mô men uốn.
  • Áp dụng hệ thanh giằng chéo bằng thép tròn $\phi 20$ kết hợp thanh chống dọc chữ C tạo thành hệ không gian cứng vững, giảm chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng cho cột ($l_y = 3{,}5\text{ m}$).
  • Sử dụng liên kết ngàm chân cột với hệ thống dầm đế, sườn tăng cứng và bu lông neo giúp giảm mô men uốn tại đỉnh cột và giảm chuyển vị ngang của khung.

Hạn chế và phạm vi áp dụng

Đồ án tập trung vào tính toán khung phẳng đàn hồi truyền thống theo các giả định kỹ thuật cụ thể:

  • Phạm vi hình học và công năng: Chỉ áp dụng cho nhà công nghiệp một tầng, một nhịp $L = 28\text{ m}$, bước khung $6\text{ m}$, có một tầng cầu trục hoạt động ở chế độ trung bình ($Q = 10\text{ T}$).
  • Điều kiện tải trọng và môi trường: Số liệu khí hậu tính toán theo vùng II-A (TP. Cần Thơ), chưa xét đến tải trọng động đất hoặc các tác động môi trường xâm thực biển ăn mòn kim loại đặc thù.
  • Giới hạn mô hình tính: Khung ngang được tính toán theo sơ đồ phẳng đàn hồi tuyến tính độc lập, chưa xét đến sự làm việc không gian tổng thể của toàn bộ khối nhà xưởng hoặc phân tích phi tuyến hình học/vật liệu ở giai đoạn sau chảy dẻo.

Giá trị tham khảo và ứng dụng thực tiễn

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo rõ ràng cho công tác đào tạo và thực hành kỹ thuật:

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Kỹ thuật Công trình Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp đang thực hiện đồ án môn học Kết cấu thép 2 (Kết cấu thép nhà công nghiệp) hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng.
  • Giá trị nội dung: Cung cấp phương pháp mẫu mực từng bước từ tính toán cấu kiện bao che (tôn, xà gồ chịu uốn xiên, sườn tường), lập bảng tổ hợp 69 trường hợp tải trọng, cho đến thiết kế chi tiết cấu tạo các mối nối bu lông mặt bích và bản đế chân cột ngàm.
  • Kỹ sư thực hành: Cung cấp quy trình tra cứu số liệu cầu trục, quy đổi tải trọng phân bố và sơ đồ kiểm tra cấu kiện thép tạo hình nguội chữ C theo tiêu chuẩn xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

1. Thông số hình học chính và tải trọng cầu trục của khung ngang được thiết kế như thế nào? Khung ngang có nhịp $L = 28\text{ m}$, chiều cao phần cột dưới $H_d = 4{,}9\text{ m}$, chiều cao phần cột trên $H_t = 1{,}96\text{ m}$, tổng chiều cao cột $H = 6{,}86\text{ m}$. Cầu trục có sức nâng $Q = 10\text{ T}$, nhịp cầu trục tra cứu $L_k = 26{,}5\text{ m}$ (hoặc $25{,}5\text{ m}$ theo catalo), chiều cao gabarit cầu trục $H_k = 960\text{ mm}$, trọng lượng bản thân cầu trục $G = 11\text{ T}$.

2. Tải trọng gió tác dụng lên công trình được tính toán dựa trên các thông số nào? Tải trọng gió tính theo TCVN 2737:1995 tại địa bàn TP. Cần Thơ thuộc vùng áp lực gió II-A với $W_0 = 83\text{ kg/m}^2$, dạng địa hình loại A với hệ số $k = 1{,}126$, hệ số vượt tải $n = 1{,}2$. Hệ số khí động đối với cột đón gió là $+0{,}8$ ($q = 538\text{ kG/m}$), cột khuất gió là $-0{,}6$ ($q = 336\text{ kG/m}$), mái đón gió là $-0{,}4$ ($q = 159\text{ kG/m}$) và mái khuất gió là $-0{,}5$ ($q = 269\text{ kG/m}$).

3. Tiết diện cột và xà ngang được lựa chọn với quy cách kích thước ra sao? Cột sử dụng thép tổ hợp chữ I không đổi tiết diện có chiều cao $h = 400\text{ mm}$, bản cánh $(1 \times 20)\text{ cm}$ ($t_f = 10\text{ mm}, b_f = 200\text{ mm}$), bản bụng $(0{,}6 \times 38)\text{ cm}$ ($t_w = 6\text{ mm}, h_w = 380\text{ mm}$), diện tích $A = 62{,}8\text{ cm}^2$. Xà ngang gồm đoạn nách dài $4\text{ m}$ thay đổi tiết diện vát từ $h = 400\text{ mm}$ xuống và đoạn giữa nhịp dài $8\text{ m}$ có tiết diện không đổi $h_{xn} = 250\text{ mm}$, $b_f = 200\text{ mm}$, $t_w = 6\text{ mm}$.

4. Áp lực đứng lớn nhất và lực hãm ngang của cầu trục lên khung ngang có giá trị bao nhiêu? Áp lực đứng lớn nhất tác dụng lên cột là $D_{max} = 178{,}5\text{ kN} = 17850\text{ kG}$, áp lực đứng nhỏ nhất là $D_{min} = 53{,}3\text{ kN} = 5330\text{ kG}$, gây ra mô men lệch tâm tương ứng $M_{max} = 89{,}25\text{ kN.m}$ và $M_{min} = 26{,}65\text{ kN.m}$ với độ lệch tâm $e = 0{,}5\text{ m}$. Lực hãm ngang tiêu chuẩn của toàn bộ cầu trục truyền lên cột là $T = 681{,}615\text{ kG}$.

5. Vật liệu thép và phương pháp hàn được quy định như thế nào trong đồ án? Đồ án sử dụng thép mác CCT34 có cường độ tiêu chuẩn $f_y$, cường độ tính toán $f = 2100\text{ kG/cm}^2$ ($210\text{ N/mm}^2$), cường độ chịu cắt $f_v = 1200\text{ kG/cm}^2$ ($120\text{ N/mm}^2$), cường độ kéo đứt $f_u = 3200\text{ kG/cm}^2$ ($320\text{ N/mm}^2$) đối với chiều dày bản thép $t \le 20\text{ mm}$. Que hàn sử dụng mác N42, phương pháp hàn tay và kiểm tra chất lượng đường hàn bằng siêu âm.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế kết cấu thép" của sinh viên Lê Văn Hiếu đã hoàn thành đầy đủ quy trình tính toán thiết kế kỹ thuật cho khung ngang nhà công nghiệp một tầng, một nhịp $L = 28\text{ m}$ trang bị cầu trục $10\text{ T}$ tại TP. Cần Thơ. Bản thuyết minh thể hiện tính chuẩn xác trong việc xác lập tải trọng, phân tích tổ hợp nội lực đàn hồi và kiểm tra an toàn chịu lực cho các cấu kiện cột, xà, giằng, xà gồ cùng hệ thống nút liên kết theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995. Đây là tài liệu học thuật và kỹ thuật mang tính quy chuẩn cao, phản ánh đúng trình tự thiết kế thực tế của một công trình kết cấu thép công nghiệp.