Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực xây dựng công nghiệp, kết cấu thép nhà một tầng một nhịp có cầu trục là giải pháp kết cấu phổ biến nhờ khả năng vượt nhịp lớn, thời gian gia công lắp dựng nhanh và khả năng chịu tải trọng động cơ học từ thiết bị nâng hạ. Đồ án "Thiết Kế Kết Cấu Công Trình Thép" được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Công Chiến dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Ngọc Dương tại Khoa Xây dựng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (hoàn thành ngày 15 tháng 06 năm 2022).

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế kỹ thuật của đồ án bao gồm:

  1. Xác định sơ đồ kết cấu, kích thước hình học tổng thể của khung ngang chịu lực và các hệ kết cấu phụ trợ (hệ giằng, hệ cửa trời).
  2. Thiết kế kết cấu bao che gồm hệ xà gồ mái và sườn tường chịu tải trọng bản thân và áp lực gió.
  3. Thu thập, tính toán các loại tải trọng tác dụng lên công trình (tĩnh tải, hoạt tải sửa chữa mái, tải trọng cầu trục, áp lực gió) và thiết lập mô hình tính toán nội lực khung ngang trên phần mềm chuyên dụng.
  4. Thiết kế, kiểm tra khả năng chịu lực của các cấu kiện chịu lực chính (cột thép tiết diện không đổi, xà ngang mái tiết diện thay đổi, dầm vai cột).
  5. Thiết kế chi tiết các nút liên kết cấu kiện (liên kết chân cột ngàm với móng bê tông cốt thép, liên kết nút nách khung cột - xà, liên kết nút đỉnh xà, liên kết nối xà và liên kết chân cột cửa trời).

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu của đồ án là công trình nhà công nghiệp kết cấu thép một tầng, một nhịp có các thông số kỹ thuật:

  • Nhịp khung: $L = 30\text{ m}$.
  • Chiều dài toàn bộ nhà xưởng: $B_{\text{tổng}} = 60\text{ m}$; khoảng cách giữa các bước cột: $B = 6\text{ m}$.
  • Sức nâng cầu trục: $Q = 20\text{ tấn}$; cao trình đỉnh ray cầu trục: $H_r = 8.5\text{ m}$.
  • Địa điểm xây dựng: Phân vùng áp lực gió IIIA/IIIB, dạng địa hình A.
  • Độ dốc mái thoát nước: $i = 10%$ ($\alpha \approx 6^\circ$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Đồ án áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành của Việt Nam kết hợp tài liệu hướng dẫn chuyên ngành kết cấu thép:

  • TCVN 5575:2012: Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế (áp dụng kiểm tra điều kiện bền, độ mảnh giới hạn, ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng uốn, ổn định cục bộ bản cánh/bản bụng, tính toán liên kết hàn và liên kết bu lông).
  • TCVN 2737:1995: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế (áp dụng tính toán tĩnh tải, hoạt tải sửa chữa mái, áp lực gió tiêu chuẩn và tính toán, tải trọng xe con và áp lực bánh xe cầu trục).
  • Tài liệu chuyên khảo: "Thiết kế khung thép nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp" (Phạm Minh Hà, Nhà xuất bản Xây dựng).

Phương pháp tính toán và phân tích

  • Phương pháp giải tích cơ học kết cấu: Tính toán tải trọng phân bố, xác định tung độ đường ảnh hưởng của áp lực bánh xe cầu trục ($D_{\max}, D_{\min}$) và lực hãm ngang xe con ($T$).
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm ETABS phiên bản 9 để mô hình hóa sơ đồ khung phẳng, gán các trường hợp tải trọng độc lập, thực hiện tổ hợp tải trọng (Tổ hợp cơ bản 1 và Tổ hợp cơ bản 2) nhằm trích xuất biểu đồ bao mô men ($M$), lực cắt ($V$), lực dọc ($N$) và kiểm tra chuyển vị đàn hồi công trình.
  • Phương pháp trạng thái giới hạn:
    • Trạng thái giới hạn 1 (TTGH I): Kiểm tra khả năng chịu lực về độ bền, ổn định tổng thể, ổn định cục bộ và độ bền liên kết.
    • Trạng thái giới hạn 2 (TTGH II): Kiểm tra biến dạng, chuyển vị ngang đỉnh khung và độ võng thẳng đứng của dầm mái.

Nguồn dữ liệu và vật liệu thiết kế

  • Thép kết cấu: Mác thép CCT34 có cường độ tính toán chịu kéo/nén/uốn $f = 210\text{ MPa} = 21\text{ kN/cm}^2$, mô đun đàn hồi $E = 2.1 \times 10^5\text{ MPa}$.
  • Vật liệu hàn: Hàn tự động và bán tự động sử dụng que hàn N42 ($d = 35\text{ mm}$), cường độ tính toán đường hàn góc $f_{wf} = 18\text{ kN/cm}^2$, $f_{ws} = 15.6\text{ kN/cm}^2$.
  • Bu lông liên kết: Bu lông liên kết mặt bích cấp độ bền 8.8 (bu lông cường độ cao mác thép 40Cr); bu lông neo móng cấp độ bền 4.8.
  • Bê tông móng: Cấp độ bền B20, cường độ chịu nén tính toán $R_b = 11.5\text{ MPa}$, cường độ chịu nén ép mặt cục bộ $R_{b,\text{loc}} = 1.265\text{ kN/cm}^2$.
  • Tấm lợp và bao che: Tôn múi tráng kẽm dày $0.7\text{ mm}$, tải trọng tiêu chuẩn $g_m^{tc} = 0.074\text{ kN/m}^2$.

Thiết kế và triển khai hệ thống kết cấu

Thông số hình học và lưới kết cấu công trình

Thông số Giá trị Đơn vị
Nhịp khung ngang ($L$) 30 m
Chiều dài nhà xưởng 60 m
Bước cột ($B$) 6 m
Chiều cao cột từ móng đến đáy xà ngang ($H$) 10.2 m
Cao trình đỉnh ray cầu trục ($H_1$) 8.5 m
Chiều cao phần cột trên vai đỡ dầm cầu trục ($H_t$) 2.6 m
Chiều cao phần cột dưới vai đỡ dầm cầu trục ($H_d$) 7.6 m
Độ dốc mái ($i$) 10 ($\alpha \approx 6^\circ$) %
Kích thước cửa trời (Cao $\times$ Rộng) $2.0 \times 4.0$ m

Bảng quy cách tiết diện các cấu kiện kết cấu

Cấu kiện Ký hiệu tiết diện Chiều cao $h$ (mm) Bề rộng cánh $b_f$ (mm) Chiều dày bụng $t_w$ (mm) Chiều dày cánh $t_f$ (mm)
Cột chính I-850x300x10x14 850 300 10 14
Xà ngang tại nách khung I-800x250x10x12 800 (850) 250 10 12
Xà ngang tại đỉnh khung I-450x250x10x12 450 250 10 12
Dầm vai cột I-550x200x8x10 550 200 8 10
Cột cửa trời I-200x100x8x10 200 100 8 10
Xà gồ mái Z200x62x68x20x1.8 200 62 / 68 1.8 1.8
Sườn tường Z150x62x68x18x1.8 150 62 / 68 1.8 1.8

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Kích thước khung ngang

Chương 1 xác định sơ đồ khung ngang, kích thước hình học chính và bố trí hệ giằng không gian:

  • Sơ đồ khung ngang: Khung thép một nhịp gồm cột đặc tiết diện không đổi liên kết ngàm với móng và liên kết cứng với xà ngang. Xà ngang tiết diện chữ I thay đổi chiều cao, đoạn mở rộng tiết diện bố trí từ đầu cột đến $0.4$ chiều dài nửa xà, phần còn lại có tiết diện không đổi. Cửa trời kích thước $2\text{ m} \times 4\text{ m}$ bố trí chạy dọc mái nhà xưởng.
  • Xác định chiều cao khung: Chiều cao cột $H = H_1 + H_2 + H_3 = 8500 + 1700 + 0 = 10200\text{ mm}$ (với $H_2 = H_k + b_k = 1380 + 300 = 1680\text{ mm}$, chọn $1700\text{ mm}$; chiều cao dầm cầu trục $h_{dct} = 700\text{ mm}$; chiều cao ray $h_r = 200\text{ mm}$; suy ra $H_t = 2600\text{ mm}$, $H_d = 7600\text{ mm}$).
  • Chọn sơ bộ tiết diện: Cột chọn I-850x300x10x14 (khoảng cách an toàn ray cầu trục $z = 400\text{ mm} > z_{\min} = 190\text{ mm}$); dầm mái nách khung chọn I-800x250x10x12, đỉnh khung chọn I-450x250x10x12; dầm vai chọn I-500x200x8x10; cột cửa trời I-200x100x8x10.
  • Hệ kết cấu giằng: Bố trí hệ giằng mái chữ thập bằng thanh thép $\phi 16$ tại hai gian đầu hồi (khoảng cách không quá 5 bước cột). Bố trí hệ giằng cột bằng thép tròn $\phi 20$ kết hợp thanh chống dọc 2Z200 tạo thành khối miếng cứng không gian truyền lực hãm dọc và tải trọng gió đầu hồi xuống móng.

Chương 2: Thiết kế xà gồ và sườn tường

Chương 2 thực hiện thiết kế chi tiết các cấu kiện kết cấu bao che phụ trợ:

  • Xà gồ mái: Sử dụng thép dập nguội thành mỏng tiết diện chữ Z200x62x68x20x1.8, bước xà gồ $a_{xg} = 1.5\text{ m}$.
    • Xác định tải trọng: Tĩnh tải tôn mái ($g_m^{tc} = 0.074\text{ kN/m}^2$), hệ giằng mái và xà gồ quy về dầm đơn giản có ty giằng; hoạt tải sửa chữa mái $P^{tc} = 0.3\text{ kN/m}^2$ ($P^{tt} = 0.39\text{ kN/m}^2$); tải trọng gió bốc mái ($c = -0.8$, $W_0 = 1.8\text{ kN/m}^2$, $q_g^{tc} = 1.64\text{ kN/m}$).
    • Kiểm tra điều kiện bền: Ứng suất tổng hợp $\sigma = \frac{M_x}{W_x} + \frac{M_y}{W_y} \le \gamma_c f = 21\text{ kN/cm}^2$ (kết quả đạt yêu cầu).
    • Kiểm tra biến dạng: Độ võng theo phương $y$ đạt $f_y = 0.54\text{ cm} < [f] = \frac{L}{200} = 3.0\text{ cm}$.
  • Sườn tường (xà gồ tường): Sử dụng tiết diện chữ Z150x62x68x18x1.8, khoảng cách bố trí $a = 1.3\text{ m}$.
    • Chịu tải trọng trọng lượng bản thân tấm tôn tường, xà gồ và áp lực gió ngang vuông góc với tường ($W_0 = 1.8\text{ kN/m}^2$, $k = 1.0405$, $q_y^{tc} = 1.688\text{ kN/m}$).
    • Kiểm tra ứng suất: $\sigma = 65.426\text{ daN/cm}^2 \le 2100\text{ daN/cm}^2$.
    • Kiểm tra độ võng: $f_x = 1.1 \times 10^{-3}\text{ cm} < [f] = \frac{B}{200} = 5.0 \times 10^{-3}\text{ cm}$.

Chương 3: Tải trọng và nội lực khung

Chương 3 tổng hợp toàn bộ các trường hợp tải trọng tác động lên mô hình khung phẳng:

  • Tĩnh tải: Tải trọng mái ($q^{tc} = 0.684\text{ kN/m}$, $q^{tt} = 1.752\text{ kN/m}$); tải trọng tường bao che ($q^{tc} = 0.714\text{ kN/m}$, $q^{tt} = 1.785\text{ kN/m}$); trọng lượng bản thân dầm cầu trục ($G_{dct}^{tt} = 10.34\text{ kN}$) và dầm hãm ($G_{dh}^{tt} = 6.25\text{ kN}$).
  • Hoạt tải mái: Hoạt tải sửa chữa phân bố theo phương nghiêng $q^{tt} = 1.33\text{ kN/m}$.
  • Tải trọng cầu trục 20T:
    • Áp lực đứng cực đại $D_{\max}$ và cực tiểu $D_{\min}$ truyền lên vai cột thông qua đường ảnh hưởng bánh xe ($P_{\max}^{tc} = 18\text{ T}$, $P_{\min}^{tc} = 5.5\text{ T}$, hệ số vượt tải $n = 1.1$, hệ số làm việc $n_c = 0.85$, tung độ $y_1 = 1$, $y_2 = 0.323$).
    • Lực hãm ngang xe con: $T_1 = 0.65\text{ kN}$, lực xô ngang tổng cộng lên cột $T = 1.566\text{ kN}$ đặt tại cao trình đỉnh dầm cầu trục.
  • Tải trọng gió: Xác định theo TCVN 2737:1995 với $W_0 = 1.8\text{ kN/m}^2$, hệ số vượt tải $n = 1.2$, các trường hợp gió thổi từ trái sang và từ phải sang.
  • Phân tích mô hình ETABS 9 và kiểm tra biến dạng:
    • Kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh khung (tổ hợp TH44: $TT + GT + D_{\max_T} + T_{\max D}$): Chuyển vị ngang $\Delta_x = 18.72\text{ mm} \le [\Delta_x] = \frac{H}{300} = \frac{10200}{300} = 34\text{ mm}$ (tỷ lệ $18.72/34 = 0.55$).
    • Kiểm tra chuyển vị đứng đỉnh dầm mái (tổ hợp TH3: $TT + HTMT + HTMP$): Độ võng $\Delta_y = 68.8\text{ mm} \le [\Delta_y] = \frac{L}{400} = \frac{30000}{400} = 75\text{ mm}$ (tỷ lệ $68.8/75 = 0.92$).
  • Trích xuất nội lực nguy hiểm:
    • Chân cột: $M_{\max} = 557.55\text{ kNm}$, $N_{\text{tư}} = -412.57\text{ kN}$, $V_{\text{tư}} = 124.53\text{ kN}$.
    • Nách khung (xà mái): $M_{\max} = 339.12\text{ kNm}$ (hoặc $329.29\text{ kNm}$), $N_{\text{tư}} = 55.42\text{ kN}$, $V_{\text{tư}} = 60.32\text{ kN}$.
    • Đỉnh khung (xà mái): $M_{\max} = 114.45\text{ kNm}$, $N_{\text{tư}} = 55.2\text{ kN}$, $V_{\text{tư}} = 15.57\text{ kN}$.

Chương 4: Thiết kế cột

Chương 4 kiểm tra an toàn chịu lực cho cột tiết diện I-850x300x10x14 ($A = 166.72\text{ cm}^2$, $I_x = 193066.85\text{ cm}^4$, $W_x = 4542.75\text{ cm}^3$, $i_x = 34.03\text{ cm}$, $i_y = 6.42\text{ cm}$, chiều dài tính toán trong mặt phẳng $l_x = 1.14 \times 10.2 = 11.63\text{ m}$, ngoài mặt phẳng $l_y = 3.6\text{ m}$):

  • Độ mảnh: $\lambda_x = \frac{l_x}{i_x} = 34.16 \le [\lambda] = 180$; $\lambda_y = \frac{l_y}{i_y} = 56.07 \le [\lambda] = 180$.
  • Độ bền cấu kiện chịu nén/kéo lệch tâm: Kiểm tra theo công thức $\sigma = \frac{N}{A_n} \pm \frac{M}{W_n} = 12.35\text{ kN/cm}^2 \le \gamma_c f = 21\text{ kN/cm}^2$.
  • Ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung: Độ lệch tâm tương đối $m = \frac{M}{N} \frac{A}{W_x}$, tính toán hệ số giảm uốn dọc $\varphi_e$ từ phụ lục D TCVN 5575:2012, ứng suất nén $\sigma = \frac{N}{\varphi_e A} \le 21\text{ kN/cm}^2$ (kết quả kiểm tra các tổ hợp nguy hiểm đều thỏa mãn).
  • Ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung: Kiểm tra theo công thức $\frac{N}{c \varphi_y A_n} \le \gamma_c f$ (với $\varphi_y = 0.96$, hệ số $c = 0.73$ tính theo độ lệch tâm ngoài mặt phẳng uốn), ứng suất đạt mức an toàn.
  • Ổn định cục bộ:
    • Bản cánh: $\frac{b_0}{t_f} = \frac{145}{14} = 10.35 \le \left[\frac{b_0}{t_f}\right] = 0.5 \sqrt{\frac{E}{f}} = 15.8$.
    • Bản bụng: $\frac{h_w}{t_w} = \frac{822}{10} = 82.2 \le \left[\frac{h_w}{t_w}\right] = 119.4$.
  • Liên kết cánh - bụng cột: Sử dụng đường hàn góc hai phía chịu lực cắt trượt $V = 124.53\text{ kN}$, chọn chiều cao đường hàn $h_f = 9\text{ mm}$ (thỏa mãn điều kiện cấu tạo $h_{f,\min} = 5\text{ mm}$ và $h_{f,\max} = 12\text{ mm}$).

Chương 5: Thiết kế xà ngang

Chương 5 kiểm tra an toàn cho dầm mái tiết diện chữ I tổ hợp:

  • Tiết diện nách khung (I-800x250x10x12):
    • Ứng suất pháp uốn: $\sigma = \frac{M}{W_x} + \frac{N}{A} = 10.98\text{ kN/cm}^2 \le 21\text{ kN/cm}^2$.
    • Ứng suất tiếp cắt: $\tau = \frac{V S_x}{I_x t_w} = 0.84\text{ kN/cm}^2 \le f_v = 12.18\text{ kN/cm}^2$.
    • Ứng suất tương đương tại nách cánh: $\sigma_{td} = \sqrt{\sigma_1^2 + 3\tau_1^2} = 10.74\text{ kN/cm}^2 \le 1.15 f = 24.15\text{ kN/cm}^2$.
    • Ổn định tổng thể dầm: Hệ số $\varphi_b$ tính theo phụ lục E TCVN 5575:2012 đạt yêu cầu nhờ hệ xà gồ mái giằng giữ bản cánh nén với bước $l_0 = 1.5\text{ m}$.
    • Ổn định cục bộ bản cánh ($\frac{b_0}{t_f} \le 12$) và bản bụng ($\frac{h_w}{t_w} \le 77.19$) đều thỏa mãn.
  • Tiết diện đỉnh khung (I-450x250x10x12):
    • Ứng suất uốn nén: $\sigma = 8.13\text{ kN/cm}^2 \le 21\text{ kN/cm}^2$.
    • Ứng suất cắt: $\tau = 0.517\text{ kN/cm}^2 \le 12.18\text{ kN/cm}^2$.
    • Ổn định tổng thể và cục bộ bản cánh ($\frac{b_0}{t_f} = 10.06$), bản bụng ($\frac{h_w}{t_w} = 42.6$) thỏa mãn.
  • Đường hàn liên kết cánh - bụng dầm: Chọn đường hàn góc $h_f = 5\text{ mm}$ liên tục hai bên.

Chương 6: Thiết kế liên kết cột và nút khung

Chương 6 tính toán chi tiết toàn bộ các nút nối cơ bản của hệ khung:

  • Chi tiết chân cột ngàm:
    • Kích thước bản đế: Chiều rộng $B_{bd} = 400\text{ mm}$, chiều dài $L_{bd} = 1070\text{ mm}$, chiều dày bản đế chọn $t_{bd} = 40\text{ mm}$ (tính toán từ mô men uốn cục bộ các ô bản đế do phản lực bê tông móng mác B20, $\sigma_{\max} = 0.95\text{ kN/cm}^2 \le R_{b,\text{loc}} = 1.265\text{ kN/cm}^2$).
    • Dầm đế: Chiều cao $h_{dd} = 350\text{ mm}$, chiều dày $t_{dd} = 10\text{ mm}$, hàn vào bản cánh cột bằng đường hàn góc $h_f = 10\text{ mm}$.
    • Sườn ngăn A và Sườn ngăn B: Chiều cao $h_s = 250\text{ mm}$, chiều dày $t_s = 10\text{ mm}$, hàn góc $h_f = 8\text{ mm}$.
    • Bu lông neo: Chọn 4 bu lông neo mỗi bên đường kính $\phi 42$ cấp độ bền 4.8 ($A_{bn} = 11.2\text{ cm}^2$), chịu lực kéo $T_{\max} = 557.6\text{ kN}$ và kiểm tra chịu cắt, ép mặt cục bộ với bê tông móng.
    • Đường hàn liên kết cột vào bản đế: Chọn chiều cao đường hàn $h_f = 9\text{ mm}$.
  • Chi tiết dầm vai đỡ cầu trục:
    • Tiết diện dầm vai: I-550x200x8x10 chịu lực cắt $V_v = 326.28\text{ kN}$ và mô men uốn $M_v = 97.88\text{ kNm}$. Kiểm tra ứng suất uốn $\sigma = 6.89\text{ kN/cm}^2$, ứng suất cắt $\tau = 4.18\text{ kN/cm}^2$, ứng suất ép mặt cục bộ bản bụng $\sigma_{em} = 18.54\text{ kN/cm}^2 \le 21\text{ kN/cm}^2$, độ võng tại điểm đặt ray $f = 0.0036\text{ cm} \le [f] = 0.138\text{ cm}$.
    • Đường hàn liên kết dầm vai vào cột: Chọn $h_f = 8\text{ mm}$. Bố trí cặp sườn ngang gia cường bụng dầm vai ($530 \times 60 \times 6\text{ mm}$) và bụng cột ($822 \times 100 \times 7\text{ mm}$).
  • Liên kết nút nách khung (cột - xà):
    • Bố trí 14 bu lông cường độ cao $\phi 20$ cấp độ bền 8.8 thành hai hàng đứng dọc mặt bích dày $t_{bb} = 20\text{ mm}$.
    • Khả năng chịu kéo của 1 bu lông: $N_{tb} = f_{tb} A_{bn} = 25 \times 2.45 = 98\text{ kN} > N_{b,\max} = 76.4\text{ kN}$.
    • Khả năng chịu cắt $N_{vb} = 87\text{ kN} > V/14 = 4.32\text{ kN}$. Đường hàn bản cánh vào mặt bích chọn $h_f = 8\text{ mm}$.
  • Liên kết đỉnh xà:
    • Bố trí 8 bu lông cường độ cao $\phi 20$ cấp độ bền 8.8, bản bích dày $t_{bb} = 20\text{ mm}$, sườn gia cường $90 \times 12 \times 8\text{ mm}$, đường hàn liên kết $h_f = 8\text{ mm}$. Khả năng chịu kéo của bu lông $N_{tb} = 98\text{ kN} > N_{b,\max} = 58.06\text{ kN}$.
  • Liên kết chân cửa trời:
    • Sử dụng 4 bu lông cường độ cao $\phi 16$ cấp độ bền 8.8 ($A_{bn} = 2.01\text{ cm}^2$), kiểm tra bền chịu kéo $N_{tb} = 80.4\text{ kN} > N_{b,\max} = 15.4\text{ kN}$, đường hàn góc $h_f = 6\text{ mm}$.
  • Chi tiết mối nối lắp ghép xà ngang:
    • Bố trí tại vị trí có mô men uốn nhỏ trên dầm mái, sử dụng 8 bu lông cường độ cao $\phi 22$ cấp 8.8 ($A_{bn} = 3.03\text{ cm}^2$), mặt bích dày $t_s = 10\text{ mm}$ có sườn gia cường $150 \times 90 \times 8\text{ mm}$, đường hàn góc $h_f = 6\text{ mm}$.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán kỹ thuật chính

Hạng mục kiểm tra Giá trị tính toán Giới hạn cho phép (TCVN 5575:2012) Đánh giá an toàn
Chuyển vị ngang đỉnh cột $\Delta_x$ $18.72\text{ mm}$ $34.00\text{ mm}$ ($H/300$) Thỏa mãn (Hệ số an toàn: $1.81$)
Chuyển vị đứng dầm mái $\Delta_y$ $68.80\text{ mm}$ $75.00\text{ mm}$ ($L/400$) Thỏa mãn (Hệ số an toàn: $1.09$)
Độ mảnh cột phương $x$ ($\lambda_x$) $34.16$ $180.00$ Thỏa mãn
Độ mảnh cột phương $y$ ($\lambda_y$) $56.07$ $180.00$ Thỏa mãn
Ứng suất lớn nhất tại chân cột $12.35\text{ kN/cm}^2$ $21.00\text{ kN/cm}^2$ Thỏa mãn
Ứng suất uốn nách xà ngang $10.98\text{ kN/cm}^2$ $21.00\text{ kN/cm}^2$ Thỏa mãn
Lực kéo bu lông nách khung $76.40\text{ kN}$ $98.00\text{ kN}$ Thỏa mãn
Lực kéo bu lông neo chân cột $557.60\text{ kN}$ $851.20\text{ kN}$ ($4\phi 42$) Thỏa mãn
Ứng suất ép mặt móng bê tông B20 $0.95\text{ kN/cm}^2$ $1.265\text{ kN/cm}^2$ ($R_{b,\text{loc}}$) Thỏa mãn

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  1. Đồ án thiết lập hoàn chỉnh quy trình thiết kế khung thép công nghiệp một tầng một nhịp vượt nhịp lớn ($30\text{ m}$) chịu tải trọng cầu trục nặng ($20\text{ tấn}$) theo TCVN 5575:2012 và TCVN 2737:1995.
  2. Ứng dụng thành công phần mềm ETABS 9 để tự động hóa phân tích nội lực và xác định tổ hợp nguy hiểm nhất cho từng cấu kiện và liên kết.
  3. Cung cấp chi tiết các giải pháp cấu tạo liên kết mặt bích dùng bu lông cường độ cao cho nút nách khung và liên kết chân cột ngàm có dầm đế và sườn ngăn tăng cường độ cứng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Mô hình tính toán nội lực trên ETABS 9 là mô hình khung phẳng 2D, chưa xét đến sự làm việc không gian tổng thể 3D của toàn bộ khối nhà xưởng.
  • Liên kết chân cột với móng được giả thiết là ngàm tuyệt đối tại cao trình $\pm 0.000$, chưa xét đến chuyển vị xoay đàn hồi do độ lún không đều của nền đất móng.
  • Tải trọng gió được tính toán ở dạng tĩnh theo TCVN 2737:1995, chưa xét đến thành phần động của gió đối với công trình có cửa trời thông gió kéo dài.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Xây dựng mô hình không gian 3D toàn khối trên các phần mềm như SAP2000 hoặc ETABS để phân tích chính xác hơn sự phân phối tải trọng dọc nhà qua hệ giằng và hệ dầm hãm.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa tiết diện xà ngang thay đổi và cột thép tổ hợp để giảm khối lượng thép sử dụng trên $1\text{ m}^2$ sàn nhà xưởng.
  • Phân tích chi tiết phi tuyến và ứng xử cục bộ của các liên kết mặt bích bu lông cường độ cao bằng phương pháp phần tử hữu hạn trên các phần mềm chuyên sâu (ANSYS, ABAQUS).

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo chuyên môn cao đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp: Là tài liệu mẫu hoàn chỉnh phục vụ thực hiện Đồ án Kết cấu Thép 2 (Đồ án thép nhà công nghiệp) và Khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành kết cấu.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Cung cấp trình tự kiểm tra chi tiết các điều kiện ổn định tổng thể, ổn định cục bộ theo TCVN 5575:2012 (đặc biệt là phương pháp nội suy hệ số uốn dọc $\varphi, \eta, c$).
  • Phần nội dung giá trị nhất: Quy trình tính toán lực truyền từ cầu trục qua dầm vai vào cột, thiết kế bản đế chân cột ngàm có sườn ngăn và tính toán phân bố lực kéo trong bu lông cường độ cao tại mặt bích nút khung.

Câu hỏi thường gặp

1. Thông số thiết kế cơ bản của khung nhà công nghiệp trong đồ án là gì?

Công trình là nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp bằng kết cấu thép có nhịp $L = 30\text{ m}$, chiều dài $60\text{ m}$, bước cột $B = 6\text{ m}$, độ dốc mái $i = 10%$, trang bị cầu trục sức nâng $Q = 20\text{ tấn}$ với cao trình đỉnh ray $H_r = 8.5\text{ m}$. Vật liệu chính là thép CCT34, que hàn N42 và bê tông móng cấp độ bền B20 tại vùng gió IIIA/IIIB.

2. Tiết diện cột và xà ngang dầm mái được chọn với kích thước cụ thể như thế nào?

  • Cột chính: Tiết diện không đổi I-850x300x10x14 ($h = 850\text{ mm}, b = 300\text{ mm}, t_w = 10\text{ mm}, t_f = 14\text{ mm}$).
  • Xà ngang mái: Tiết diện thay đổi; tại nách khung là I-800x250x10x12 (hoặc mở rộng $h = 850\text{ mm}$), tại đỉnh khung là I-450x250x10x12 ($b = 250\text{ mm}, t_w = 10\text{ mm}, t_f = 12\text{ mm}$).

3. Kết quả kiểm tra chuyển vị công trình trên phần mềm ETABS 9 có thỏa mãn tiêu chuẩn không?

Kết quả kiểm tra theo TTGH II hoàn toàn thỏa mãn TCVN 5575:2012:

  • Chuyển vị ngang đỉnh cột ứng với tổ hợp TH44 đạt $\Delta_x = 18.72\text{ mm} \le [\Delta_x] = \frac{H}{300} = 34.0\text{ mm}$.
  • Chuyển vị đứng lớn nhất tại đỉnh dầm mái ứng với tổ hợp TH3 đạt $\Delta_y = 68.8\text{ mm} \le [\Delta_y] = \frac{L}{400} = 75.0\text{ mm}$.

4. Chi tiết liên kết chân cột ngàm với móng được tính toán ra sao?

Liên kết chân cột gồm bản đế kích thước $1070 \times 400 \times 40\text{ mm}$, 4 bu lông neo $\phi 42$ cấp độ bền 4.8 mỗi bên bản đế, dầm đế dày $10\text{ mm}$ cao $350\text{ mm}$ cùng hệ thống sườn ngăn A và B dày $10\text{ mm}$ cao $250\text{ mm}$ để phân phối ứng suất nén xuống móng bê tông B20 đạt $\sigma_{\max} = 0.95\text{ kN/cm}^2 \le R_{b,\text{loc}} = 1.265\text{ kN/cm}^2$.

5. Nút liên kết nách khung (cột - xà) sử dụng cấu tạo gì để chịu mô men uốn lớn?

Nút nách khung sử dụng liên kết mặt bích dày $t_{bb} = 20\text{ mm}$ có sườn gia cường cánh ngoài dày $10\text{ mm}$ cao $180\text{ mm}$, liên kết bằng 14 bu lông cường độ cao $\phi 20$ cấp độ bền 8.8. Lực kéo lớn nhất ở hàng bu lông ngoài cùng là $76.4\text{ kN}$, nhỏ hơn khả năng chịu kéo cho phép của 1 bu lông là $98\text{ kN}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết Kế Kết Cấu Công Trình Thép" của tác giả Nguyễn Công Chiến là một công trình học thuật và thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu khắt khe của tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 và TCVN 2737:1995. Thông qua việc ứng dụng công cụ ETABS 9 và phương pháp tính toán trạng thái giới hạn, đồ án đã giải quyết chuẩn xác bài toán kết cấu khung thép vượt nhịp $30\text{ m}$ chịu cầu trục $20\text{ tấn}$ từ khâu chọn sơ bộ tiết diện, phân tích nội lực đến thiết kế chi tiết cấu kiện và liên kết. Toàn bộ các chỉ tiêu kỹ thuật về độ bền, ổn định và chuyển vị đều được kiểm chứng an toàn với hệ số dự trữ hợp lý, mang lại giá trị tham khảo thực tiễn cao cho công tác đào tạo và thiết kế kỹ thuật xây dựng công trình thép.