Báo Cáo Đồ Án Thiết Kế Kết Cấu Công Trình Thép

• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh
• Đề tài: Thiết Kế Kết Cấu Công Trình Thép Tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh
• Địa điểm: TP.Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: KÍCH THƯỚC KHUNG NGANG
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ XÀ GỒ VÀ SƯỜN TƯỜNG
• 3. CHƯƠNG 3: TẢI TRỌNG VÀ NỘI LỰC KHUNG
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CỘT
• 5. CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ XÀ NGANG
• 6. CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ LIÊN KẾT CỘT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Nền tảng thiết kế kết cấu thép tại ĐH SPKT TPHCM

Việc thiết kế kết cấu công trình thép là một học phần và đồ án cốt lõi trong chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật Xây dựng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh (HCMUTE). Đây là giai đoạn sinh viên áp dụng toàn bộ kiến thức lý thuyết từ các môn như Sức bền vật liệu, Cơ học kết cấu để giải quyết một bài toán kỹ thuật thực tế. Một đồ án tốt nghiệp xây dựng thành công bắt đầu từ việc xác lập chính xác các thông số đầu vào và đưa ra những lựa chọn sơ bộ hợp lý cho tiết diện. Các số liệu thiết kế ban đầu, như kích thước hình học của công trình (nhịp, bước cột, chiều cao), vùng gió, và tải trọng cầu trục, đóng vai trò quyết định đến toàn bộ quá trình tính toán kết cấu thép sau này. Ví dụ, một công trình nhà công nghiệp một tầng tại vùng gió IIIA với nhịp 30m và sức trục 20T sẽ có những yêu cầu về an toàn kết cấu hoàn toàn khác so với một công trình dân dụng. Việc lựa chọn sơ bộ tiết diện cột và dầm mái dựa trên kinh nghiệm và các công thức thực hành giúp định hình khung thép ban đầu. Bước này không chỉ tiết kiệm thời gian mô hình hóa kết cấu mà còn là cơ sở để thực hiện các bước kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế về sau. Tại Khoa Xây dựng ĐH SPKT, sinh viên được khuyến khích sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như TCVN 5575:2012 để đảm bảo tính chính xác và tuân thủ quy định pháp luật. Việc nắm vững các yêu cầu cơ bản này là chìa khóa để hoàn thành luận văn kỹ sư xây dựng một cách xuất sắc.

1.1. Xác định thông số thiết kế cho đồ án kết cấu thép

Bước đầu tiên và quan trọng nhất là thu thập và xác định các số liệu thiết kế cơ bản. Dựa trên tài liệu gốc, các thông số chính bao gồm: Nhịp khung (L = 30m), chiều dài nhà (B = 60m), bước cột (B = 6m), và sức trục cầu trục (Q = 20T). Vị trí xây dựng được xác định thuộc Vùng gió IIIA, một yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến việc tính toán tải trọng gió. Vật liệu sử dụng là thép CCT34, que hàn N42, và bê tông móng cấp độ bền B20. Các thông số này là cơ sở để tính toán chiều cao cột, bao gồm cao trình đỉnh ray, chiều cao gabarit cầu trục và các khe hở an toàn. Việc xác định chính xác các kích thước khung ngang này đảm bảo công trình không chỉ đáp ứng yêu cầu công năng mà còn tuân thủ các quy định về không gian vận hành an toàn.

1.2. Lựa chọn sơ bộ tiết diện cột dầm mái và hệ giằng

Từ các kích thước khung đã xác định, bước tiếp theo là lựa chọn tiết diện sơ bộ cho các cấu kiện thép chính. Tiết diện cột được chọn sơ bộ dựa trên chiều cao cột, thường theo tỷ lệ H/15 đến H/10, ví dụ chọn cột I-850x300x10x14. Tương tự, tiết diện dầm mái tại nách khung và đỉnh khung được chọn dựa trên chiều dài nhịp, với tiết diện tại nách khung lớn hơn để chịu moment uốn cao hơn. Hệ kết cấu giằng, bao gồm hệ giằng mái và giằng cột, có vai trò đảm bảo sự bất biến hình và độ cứng không gian cho toàn bộ công trình theo phương dọc nhà. Việc bố trí hệ giằng hợp lý giúp giảm chiều dài tính toán của các cấu kiện chịu nén và đảm bảo an toàn trong quá trình thi công. Các lựa chọn này sẽ được kiểm tra và tinh chỉnh lại trong các bước phân tích nội lực chi tiết.

II. Phương pháp tính toán tải trọng cho kết cấu công trình thép

Sau khi có sơ đồ khung và tiết diện sơ bộ, bước tiếp theo trong quy trình thiết kế kết cấu công trình thép là xác định và tổ hợp tải trọng. Đây là giai đoạn phức tạp, đòi hỏi sự chính xác cao vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phân tích nội lực và độ an toàn của công trình. Các tải trọng tác dụng lên khung bao gồm tĩnh tải và hoạt tải. Tĩnh tải bao gồm trọng lượng bản thân của các cấu kiện như tấm lợp, xà gồ, hệ giằng và trọng lượng của chính khung thép. Hoạt tải phức tạp hơn, bao gồm hoạt tải sửa chữa mái, hoạt tải cầu trục (áp lực đứng Dmax, Dmin và lực hãm ngang T), và quan trọng nhất là tải trọng gió. Việc xác định tải trọng gió phải tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn thiết kế TCVN 2737-1995, dựa trên vùng gió, dạng địa hình và chiều cao công trình. Để phân tích chính xác, các kỹ sư và sinh viên tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh thường sử dụng các công cụ hiện đại như phần mềm ETABS hoặc phần mềm SAP2000. Các phần mềm này cho phép mô hình hóa kết cấu một cách trực quan, gán tải trọng và thực hiện tổ hợp theo nhiều trường hợp khác nhau để tìm ra cặp nội lực (M, N, V) nguy hiểm nhất tại mỗi tiết diện, làm cơ sở cho việc thiết kế cấu kiện thép.

2.1. Phân tích tĩnh tải và hoạt tải theo tiêu chuẩn TCVN

Tĩnh tải được tính toán dựa trên trọng lượng của các vật liệu cấu thành. Tải trọng thường xuyên phân bố trên xà mái bao gồm trọng lượng tôn lợp, xà gồ, và hệ giằng, quy đổi thành tải phân bố đều (kN/m). Hoạt tải bao gồm hoạt tải sửa chữa mái (theo TCVN 2737-1995 là 0.3 kN/m²) và hoạt tải cầu trục. Áp lực đứng từ cầu trục (Dmax) được xác định thông qua đường ảnh hưởng tại vị trí bất lợi nhất, có xét đến hệ số vượt tải và hệ số tổ hợp. Lực hãm ngang do quán tính của xe con cũng được tính toán và đặt tại cao trình dầm cầu trục. Tất cả các giá trị tải trọng tiêu chuẩn sau đó được nhân với hệ số vượt tải tương ứng để ra tải trọng tính toán, sử dụng trong các bước kiểm tra bền.

2.2. Mô hình hóa khung ngang và tổ hợp nội lực bằng ETABS

Việc sử dụng phần mềm ETABS để mô hình hóa kết cấu khung ngang cho phép gán các đặc trưng hình học của tiết diện và thuộc tính vật liệu một cách chính xác. Các loại tải trọng (tĩnh tải, hoạt tải mái, tải trọng cầu trục, gió trái, gió phải) được định nghĩa và gán vào các vị trí tương ứng trên mô hình. Bước quan trọng nhất là thiết lập các trường hợp tổ hợp tải trọng. Các tổ hợp này kết hợp các loại tải trọng khác nhau theo quy định của TCVN 5575:2012 để tìm ra các giá trị nội lực (moment, lực dọc, lực cắt) lớn nhất và bất lợi nhất tại các tiết diện quan trọng như chân cột, đỉnh cột và nách khung. Kết quả từ biểu đồ bao nội lực là dữ liệu đầu vào không thể thiếu cho các chương thiết kế chi tiết cấu kiện.

III. Bí quyết thiết kế cột và xà ngang trong công trình thép

Thiết kế cột và xà ngang là trọng tâm của mọi đồ án kết cấu thép. Sau khi có kết quả nội lực từ phần mềm ETABS, nhiệm vụ tiếp theo là kiểm tra và tinh chỉnh tiết diện đã chọn ban đầu để đảm bảo chúng đủ khả năng chịu lực và đáp ứng các điều kiện về biến dạng. Đối với cột trong nhà thép tiền chế, việc kiểm tra bao gồm nhiều điều kiện phức tạp: kiểm tra độ mảnh, kiểm tra điều kiện bền (chịu nén/kéo lệch tâm), kiểm tra ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng khung, và kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng. Mỗi điều kiện này đều được quy định rõ trong TCVN 5575:2012. Việc tính toán các hệ số như chiều dài tính toán (µ), độ lệch tâm tương đối (m), và hệ số uốn dọc (φ) đòi hỏi sự cẩn thận và chính xác. Tương tự, đối với xà ngang, việc kiểm tra bền và ổn định cũng được thực hiện tại các tiết diện đặc trưng như nách khung và đỉnh khung, nơi có sự thay đổi lớn về moment. Quá trình này không chỉ là tính toán kết cấu thép đơn thuần mà còn là nghệ thuật tối ưu hóa thiết kế, cân bằng giữa an toàn kết cấu và hiệu quả kinh tế. Đây là kỹ năng quan trọng mà các giảng viên hướng dẫn tại HCMUTE luôn nhấn mạnh.

3.1. Kiểm tra điều kiện bền và ổn định tổng thể cho cột thép

Tiết diện cột đã chọn (ví dụ: I-850x300x10x14) được kiểm tra với cặp nội lực nguy hiểm nhất. Điều kiện bền được kiểm tra theo công thức ứng suất, đảm bảo ứng suất pháp lớn nhất không vượt cường độ tính toán của vật liệu. Quan trọng hơn là kiểm tra ổn định tổng thể. Trong mặt phẳng khung, ổn định được kiểm tra thông qua hệ số uốn dọc lệch tâm φe. Ngoài mặt phẳng khung, việc kiểm tra phức tạp hơn, phụ thuộc vào hệ số c, kể đến ảnh hưởng của moment uốn. Các tính toán này đảm bảo cột không bị mất ổn định (cong vênh) dưới tác dụng của tải trọng nén và uốn đồng thời.

3.2. Tính toán và kiểm tra tiết diện dầm mái tại nách và đỉnh

Dầm mái thường có tiết diện thay đổi, lớn hơn ở nách khung (ví dụ I-800x250x10x12) và nhỏ hơn ở đỉnh khung (ví dụ I-450x250x10x12) để phù hợp với biểu đồ moment. Tại mỗi tiết diện, các đặc trưng hình học như moment quán tính (Ix), moment chống uốn (Wx) được tính toán. Sau đó, tiết diện được kiểm tra các điều kiện bền về ứng suất pháp và ứng suất tiếp. Điều kiện ổn định tổng thể của dầm cũng phải được xem xét, đảm bảo dầm không bị mất ổn định do uốn xoắn. Cuối cùng là kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng để tránh các biến dạng cục bộ không mong muốn. Nếu bất kỳ điều kiện nào không thỏa mãn, tiết diện phải được điều chỉnh và tính toán lại.

IV. Hướng dẫn thiết kế các liên kết kết cấu thép then chốt

Một hệ kết cấu thép chỉ vững chắc khi các liên kết giữa các cấu kiện được thiết kế đúng. Đây là một trong những phần phức tạp và tốn nhiều thời gian nhất trong đồ án tốt nghiệp xây dựng. Việc thiết kế liên kết đòi hỏi hiểu biết sâu về sự truyền lực giữa các cấu kiện và các dạng phá hoại có thể xảy ra. Các loại liên kết chính trong một khung thép nhà công nghiệp bao gồm: liên kết chân cột với móng, liên kết vai cột (dầm cầu trục) với thân cột, và liên kết xà ngang với cột. Mỗi loại liên kết có phương pháp tính toán riêng. Liên kết bu lông cường độ cao thường được sử dụng cho các mối nối tại công trường, trong khi liên kết hàn thường được gia công tại nhà máy. Việc thiết kế chi tiết chân cột bao gồm tính toán bản đế, bu lông neo và các sườn gia cường để chịu được moment và lực cắt từ cột truyền xuống móng. Việc tính toán các đường hàn phải đảm bảo đủ chiều cao và chiều dài để chịu lực cắt và moment tĩnh. Các phần mềm như Tekla Structures có thể được sử dụng để mô hình hóa chi tiết các liên kết này, giúp trực quan hóa và kiểm tra va chạm trước khi chế tạo.

4.1. Thiết kế chi tiết chân cột và liên kết bu lông neo

Chi tiết chân cột được thiết kế để chịu cặp nội lực nguy hiểm nhất (N, M, V) từ cột. Kích thước bản đế được xác định dựa trên điều kiện chống ép cục bộ của bê tông móng. Bề dày bản đế được tính toán từ điều kiện chịu uốn. Bu lông neo được tính toán để chịu lực kéo lớn nhất phát sinh khi moment có xu hướng nhổ chân cột lên. Số lượng và đường kính bu lông phải được lựa chọn cẩn thận, đảm bảo diện tích tiết diện cần thiết. Các đường hàn liên kết cột vào bản đế được tính toán để chịu lực dọc do moment và lực cắt.

4.2. Tính toán liên kết hàn giữa vai cột và thân cột

Vai cột là cấu kiện chịu tải trọng tập trung rất lớn từ dầm cầu trục. Tiết diện vai cột được kiểm tra điều kiện bền uốn, cắt và ứng suất tương đương. Sau đó, liên kết hàn giữa dầm vai và bản bụng cột được thiết kế. Các đường hàn này phải đủ khả năng chịu moment uốn và lực cắt lớn tại tiết diện ngàm. Mô men kháng uốn của tổ hợp đường hàn được tính toán và so sánh với yêu cầu để đảm bảo liên kết không bị phá hoại. Ngoài ra, các sườn ngang gia cường cũng được bố trí để tăng cường độ cứng và chống mất ổn định cục bộ cho bản bụng cột tại vị trí có lực tập trung.

V. Cách kiểm tra chuyển vị và tối ưu hóa thiết kế kết cấu

Hoàn thành việc thiết kế bền cho các cấu kiện và liên kết là chưa đủ. Một thiết kế kết cấu công trình thép đạt chuẩn phải đáp ứng các yêu cầu về trạng thái giới hạn sử dụng, trong đó quan trọng nhất là kiểm tra chuyển vị. Chuyển vị quá lớn có thể gây nứt tường, vách ngăn, ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị (như cầu trục) và gây mất an toàn tâm lý cho người sử dụng. TCVN 5575:2012 quy định rõ ràng giới hạn cho phép đối với chuyển vị ngang và chuyển vị đứng. Chuyển vị ngang của đỉnh khung (do tải trọng gió) không được vượt quá H/300. Chuyển vị đứng của dầm mái (do tĩnh tải và hoạt tải) không được vượt quá L/400. Việc kiểm tra này được thực hiện dễ dàng bằng phần mềm ETABS hoặc SAP2000, sử dụng tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn (không nhân hệ số vượt tải). Nếu chuyển vị vượt giới hạn, kỹ sư phải quay lại bước lựa chọn tiết diện, tăng độ cứng của khung bằng cách tăng kích thước tiết diện hoặc bổ sung hệ giằng. Quá trình lặp đi lặp lại này chính là tối ưu hóa thiết kế, nhằm đạt được một công trình vừa đảm bảo an toàn kết cấu, vừa kinh tế và thỏa mãn mọi điều kiện sử dụng.

5.1. Đánh giá chuyển vị ngang và đứng theo TCVN 5575 2012

Sử dụng kết quả phân tích từ phần mềm ETABS, chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh khung được xác định dưới tác dụng của tổ hợp gồm tĩnh tải và tải trọng gió. Giá trị này được so sánh với giới hạn cho phép [Δ] = H/300. Trong đồ án mẫu, chuyển vị tính toán là 29.72mm nhỏ hơn giới hạn 34mm, do đó thỏa mãn điều kiện. Tương tự, chuyển vị đứng lớn nhất của dầm mái được kiểm tra dưới tổ hợp tĩnh tải và hoạt tải mái chất đầy. Kết quả 68.8mm nhỏ hơn giới hạn L/400 = 75mm, cho thấy dầm mái đủ độ cứng. Việc kiểm tra này xác nhận rằng thiết kế kết cấu thép là phù hợp với điều kiện làm việc bình thường.

5.2. Kinh nghiệm tối ưu hóa và hoàn thiện bản vẽ kết cấu thép

Nếu các điều kiện về bền và chuyển vị đều thỏa mãn với một hệ số an toàn quá lớn, điều đó cho thấy thiết kế có thể chưa kinh tế. Tối ưu hóa thiết kế là quá trình điều chỉnh giảm kích thước tiết diện hoặc cấp bền vật liệu mà vẫn đảm bảo an toàn. Ngược lại, nếu không thỏa mãn, cần tăng độ cứng. Sau khi chốt được phương án thiết kế cuối cùng, bước cuối là hoàn thiện bộ hồ sơ, bao gồm thuyết minh tính toán kết cấu và các bản vẽ kết cấu thép. Bản vẽ phải thể hiện rõ ràng chi tiết các cấu kiện, liên kết, và các ghi chú cần thiết cho việc gia công, lắp dựng, là sản phẩm cuối cùng của quá trình thiết kế.