Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế

Tài liệu là thuyết minh Đồ án môn học Kết cấu thép với đề tài "Thiết kế kết cấu thép của nhà công nghiệp một tầng" được thực hiện bởi sinh viên Đinh Trọng Phúc (MSSV: 2051110386, Lớp: CD20B), chuyên ngành Xây dựng Cầu đường, ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông thuộc Viện Xây dựng / Viện Đèo Cả – Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn chuyên môn của TS. Nguyễn Văn Hiển và đề bài giao bởi ThS. Phạm Đỗ L... Đồ án được hoàn thành vào học kỳ hè (giai đoạn tháng 7/2023 – tháng 1/2024).

Bối cảnh kỹ thuật của đề tài xuất phát từ nhu cầu thiết kế hệ thống khung nhà xưởng công nghiệp một tầng chịu tải trọng nặng của cầu trục vận hành liên tục, đòi hỏi việc kết hợp giữa các quy chuẩn tải trọng xây dựng Việt Nam và tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép của Hoa Kỳ (AISC 360-16). Việc áp dụng phương pháp LRFD (Load and Resistance Factor Design - Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng) của AISC vào thực hành tính toán nhà công nghiệp giúp sinh viên nắm vững quy trình kiểm toán cấu kiện thép chịu lực phức tạp (uốn, nén, mất ổn định cục bộ và tổng thể).

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được quy định cụ thể thành 4 nội dung chính:

  1. Thiết kế cấu tạo chung cho các cấu kiện cơ bản của nhà công nghiệp một tầng một nhịp;
  2. Tính toán, mô hình hóa và thiết kế hệ khung ngang (loại khung giữa), bao gồm cột dưới và xà mái (kiểm toán mặt cắt chân cột và mặt cắt nguy hiểm bất lợi nhất của dầm mái);
  3. Lựa chọn dầm cầu trục và dầm hãm theo catalogue định hình sẵn;
  4. Lập bảng thống kê khối lượng hệ khung ngang cho toàn bộ công trình và hoàn thiện hệ thống bản vẽ thiết kế kỹ thuật (khổ A3).

Phạm vi tính toán và các thông số hình học ban đầu của công trình được tổng hợp như sau:

Thông số thiết kế Giá trị quy định Đơn vị
Dạng kết cấu Nhà công nghiệp 1 tầng, 1 nhịp, mái dốc tôn -
Chiều dài nhịp nhà ($L$) 18,0 m
Chiều dài toàn bộ nhà 84,0 (12 bước giàn $\times$ 7 m) m
Bước cột ($B$) 7,0 m
Cao độ đỉnh ray cầu trục ($H_r$) 8,7 m
Sức nâng cầu trục ($Q$) 16 (chế độ làm việc trung bình, móc treo mềm) Tấn
Nhịp cầu trục thiết kế ($L_k$) 16,5 m
Độ dốc mái ($i$) 15% - 20% (sử dụng tính toán $\alpha \approx 14,04^\circ$) -
Khu vực áp lực gió Vùng V.B ($W_0 = 155\text{ daN/m}^2$), dạng địa hình A -
Cao trình liên kết chân cột Chân ngàm liên kết móng tại cao trình $\pm 0,000$ m

Cơ sở tính toán và tiêu chuẩn áp dụng

Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng

Đồ án thiết lập phương pháp tính toán kết hợp giữa quy phạm tải trọng tác động hiện hành tại Việt Nam và tiêu chuẩn thiết kế cấu kiện thép Hoa Kỳ:

  • AISC 360-16: Specification for Structural Steel Buildings (Viện Kết cấu Thép Hoa Kỳ) – áp dụng phương pháp LRFD để phân loại tiết diện, xác định sức kháng nén danh nghĩa ($P_n$), sức kháng uốn danh nghĩa ($M_n$), và kiểm toán tương tác uốn nén đồng thời.
  • TCVN 2737-1995 / TCVN 2737-2020: Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế – dùng để xác định tĩnh tải mái, hoạt tải sửa chữa mái, tải trọng áp lực và lực hãm cầu trục, tải trọng gió (tra hệ số khí động $C_e$, hệ số độ cao $k$).
  • TCVN 5575-2012: Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế – dùng đối chiếu các yêu cầu cấu tạo chung, độ mảnh giới hạn ($\lambda_{max} \le 200$), và tiêu chuẩn chuyển vị giới hạn của khung nhà.
  • Tài liệu tham khảo chuyên ngành: Giáo trình Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp và Thiết kế kết cấu thép theo quy phạm Hoa Kỳ AISC 360-10 của GS. Đoàn Định Kiến.

Chỉ tiêu vật liệu và liên kết

  • Thép kết cấu chính: Thép nhóm CCT34 có giới hạn chảy danh nghĩa $F_y = 22\text{ kN/cm}^2 = 220\text{ MPa}$ ($220.000\text{ kN/m}^2$), mô đun đàn hồi $E = 2{,}1 \times 10^5\text{ MPa}$; trong mô hình phân tích phần tử hữu hạn khai báo vật liệu A242M ($F_y = 345\text{ MPa}$, $E = 2 \times 10^8\text{ kN/m}^2$, dung trọng $\gamma = 78{,}5\text{ kN/m}^3$).
  • Vật liệu bao che: Tôn mái và tôn tường ASEM, bề dày $0{,}01\text{ mm}$ (trọng lượng $g^{tc} = 15\text{ daN/m}^2$).
  • Vật liệu liên kết hàn: Que hàn N42 (hoặc tương đương) có cường độ tính toán kim loại đường hàn $f_w = 1800\text{ daN/cm}^2$, áp dụng công nghệ hàn bán tự động và kiểm tra chất lượng đường hàn thông thường.

Phương pháp phân tích và công cụ tính toán

Phân tích tĩnh học và cơ học kết cấu được thực hiện theo sơ đồ kết cấu khung phẳng (2D) thông qua phần mềm phần tử hữu hạn SAP2000. Cột và dầm khung được mô hình hóa bằng các phần tử thanh (Frame Element) tại trục hình học. Các liên kết đỉnh cột với xà mái, nách khung, liên kết đỉnh nóc nhà được xem là liên kết cứng; liên kết chân cột vào hệ móng là liên kết ngàm tuyệt đối. Tác động của cầu trục được giải tích bằng phương pháp đường ảnh hưởng phản lực tựa để xác định các cặp nội lực bất lợi nhất ($D_{max}, D_{min}, T_{max}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Kích thước khung ngang

Nội dung chương này tập trung vào việc xác lập kích thước hình học không gian, lựa chọn sơ bộ tiết diện các bộ phận kết cấu chính và tính toán giá trị các thành phần tải trọng tác động lên khung ngang.

1. Bố trí lưới cột và kích thước hình học

  • Phương dọc: Nhà có chiều dài 84 m chia thành 12 bước giàn, mỗi bước cột $B = 7\text{ m}$. Do chiều dài nhà dưới 200 m nên không cần bố trí khe nhiệt.
  • Phương ngang: Khung 1 nhịp $L = 18\text{ m}$.
  • Kích thước đứng: Chiều cao từ đỉnh ray đến đáy xà mái $H_d = H_k + b_a = 1{,}14 + 0{,}2 = 1{,}34\text{ m}$ (với $H_k = 1{,}14\text{ m}$ là chiều cao cầu trục, $b_a = 0{,}2\text{ m}$ là khe hở an toàn). Chiều cao cột tính từ mặt móng đến đáy xà ngang $H = H_r + H_d = 8{,}7 + 1{,}34 = 10{,}04\text{ m}$. Chiều cao phần cột dưới từ móng đến vai đỡ dầm cầu trục $H_{cd} = 7{,}8\text{ m}$, chiều cao phần cột trên $H_{ct} = 2{,}24\text{ m}$.

2. Kích thước sơ bộ các cấu kiện

Các cấu kiện được định hình sơ bộ theo điều kiện độ cứng và kinh nghiệm thiết kế:

  • Cột khung (tiết diện chữ I tổ hợp): Chiều cao $h = 560\text{ mm}$, bề rộng cánh $b = 400\text{ mm}$, chiều dày bản bụng $t_w = 8\text{ mm}$, chiều dày bản cánh $t_f = 12\text{ mm}$.
  • Xà mái vát (thay đổi tiết diện): Chiều cao tiết diện tại nách khung $h_1 = 560\text{ mm} - 600\text{ mm}$, bề rộng cánh $b = 400\text{ mm}$, $t_w = 8\text{ mm}$, $t_f = 12\text{ mm}$. Vị trí thay đổi tiết diện cách đầu cột khoảng $3{,}15\text{ m} - 4{,}5\text{ m}$; tiết diện đoạn giữa xà và đỉnh nóc có chiều cao giảm còn $h_2 = 400\text{ mm}$, $b = 400\text{ mm}$, $t_w = 8\text{ mm}$, $t_f = 12\text{ mm}$.
  • Vai cột đỡ dầm cầu trục: Dầm vát chữ I, chiều cao liên kết vào thân cột $h = 600\text{ mm}$, chiều cao tại mút đón tải $h = 350\text{ mm}$, $b = 400\text{ mm}$, $t_w = 8\text{ mm}$, $t_f = 10\text{ mm}$. Độ lệch tâm trục ray so với trục cột $e = 0{,}45\text{ m}$.
  • Cột và dầm cửa trời: Thép chữ I quy cách $I 200 \times 100 \times 8 \times 10\text{ mm}$.
  • Hệ giằng: Thanh giằng cột và giằng mái dùng thép tròn $\phi 18$; thanh chống dọc nhà dùng thép góc ghép đôi $2\text{C}20$ (đảm bảo $\lambda_{max} \le 200$); giằng cánh dưới xà mái dùng thép góc $\text{L}50 \times 5$ liên kết lên xà gồ với cự ly 3 bước xà gồ một điểm.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        MÔ HÌNH HÌNH HỌC KHUNG NGANG 1 NHỊP                        |
|                                                                                   |
|                               /\ (Đỉnh nóc)                                       |
|                             /    \                                                |
|       (Nách khung) I-560  /        \  I-400 (Giữa xà)                             |
|          +===============+==========+================+                            |
|          |                                           |                            |
|          | (Cột trên Hct=2.24m)                      |                            |
|          |                                           |                            |
|  [Vai] --+ (Đỉnh ray +8.700m, Q=16T)                 +-- [Vai]                    |
|          |                                           |                            |
|          | (Cột dưới Hcd=7.80m, I-560x400x8x12)      |                            |
|          |                                           |                            |
|         / \                                         / \                           |
|       /////// (Ngàm chân cột +0.000)              ///////                         |
|                                                                                   |
|          |<----------------- Nhịp L = 18m ------------------>|                   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

3. Xác định các loại tải trọng tác dụng

  • Tĩnh tải (DL): Trọng lượng mái tôn, xà gồ, hệ giằng phân bố đều lên xà mái $q^{tc} = g^{tc} \times B = 0{,}15 \times 7 = 1{,}05\text{ kN/m}$; trọng lượng kết cấu bao che vách cột $g^{tc} = 0{,}15\text{ kN/m}^2$; trọng lượng bản thân dầm cầu trục $G_{dct} = 11{,}76\text{ kN}$; trọng lượng dầm hãm $G_{dh} = 5\text{ kN}$.
  • Hoạt tải mái (Lr): Hoạt tải sửa chữa mái $p^c = 0{,}3\text{ kN/m}^2$, quy đổi phân bố trên xà mái $q^{tc}_{lr} = 2{,}04\text{ kN/m}$ (tách riêng hai trường hợp nửa mái trái và nửa mái phải).
  • Tải trọng cầu trục (Crane Loads): Cầu trục $Q = 16\text{ T}$, nhịp $L_k = 16{,}5\text{ m}$, áp lực bánh xe tiêu chuẩn $P_{max} = 78{,}3\text{ kN}$, $P_{min} = 16{,}9\text{ kN}$, khoảng cách bánh xe $K_x = 2{,}9\text{ m}$, bề rộng đầu cầu trục $B_k = 3860\text{ mm}$.
    • Áp lực đứng truyền lên vai cột qua đường ảnh hưởng ($\sum y_i = 1{,}4 + 0{,}88$): $D_{max} = n_c \times P_{max} \times \sum y_i = 0{,}85 \times 78{,}3 \times 2{,}28 \approx 151{,}68\text{ kN}$ (gây mô men lệch tâm $M_{max} = D_{max} \times e$); $D_{min} \approx 32{,}37\text{ kN}$.
    • Lực xô ngang của cầu trục do hãm: lực hãm tiêu chuẩn trên 1 bánh xe $T_1 = 4{,}2\text{ kN}$, lực xô ngang tổng cộng truyền vào khung $T_{max} = 0{,}85 \times 4{,}2 \times \sum y_i = 8{,}14\text{ kN}$.
  • Tải trọng gió (WL): Áp lực gió cơ bản vùng V.B ($W_0 = 155\text{ daN/m}^2 = 1{,}55\text{ kN/m}^2$). Xác định hệ số khí động đón gió và hút gió theo mặt bằng và mặt đứng ($C_{e1} = +0{,}8$, $C_{e2} = -0{,}6$, các hệ số mái $C_{e3} = -0{,}5$, $C_{e4} = -0{,}427$). Tải trọng gió được gán dạng phân bố lên cột đón gió ($1{,}70\text{ kN/m}$), cột hút gió ($1{,}29\text{ kN/m}$) và mái.

Chương 2: Xác định tải trọng tác dụng lên khung và phân tích nội lực

Chương 2 mô tả quá trình thiết lập mô hình tính toán trong SAP2000, thiết lập các trường hợp tải trọng độc lập và tổ hợp nội lực nhằm xác định các tổ hợp nguy hiểm nhất chi phối thiết kế cấu kiện.

1. Các trường hợp tải trọng và tổ hợp nội lực

Các trường hợp tải trọng được khai báo bao gồm:

  • Tĩnh tải: DL
  • Hoạt tải mái trái: LrLtr, hoạt tải mái phải: LrLph
  • Cầu trục đứng: Dmaxtr (cột trái), Dmaxph (cột phải)
  • Lực hãm cầu trục: Tmaxtr, Tmaxph (hướng dương và hướng âm)
  • Tải trọng gió ngang: WLtr (thổi từ trái sang), WLph (thổi từ phải sang)

Các tổ hợp nội lực cơ bản được thiết lập theo phương pháp LRFD:

  • Tổ hợp 1 (TH1): $1{,}4\text{DL}$
  • Tổ hợp 2 (TH2): $1{,}2\text{DL} + 1{,}6\text{LrL}$ (hoặc $1{,}5\text{LrLph}$)
  • Tổ hợp 3 (TH3): $1{,}2\text{DL} + 1{,}0\text{WLph} + 0{,}5\text{LrL}$
  • Tổ hợp 4 (TH4): $1{,}2\text{DL} + 1{,}5\text{Tmaxph} + D_{max}$
  • Tổ hợp 5 (TH5): Tổ hợp bao tổng hợp từ TH1 đến TH5 / TH10 để tìm đường bao nội lực $M_{max}, M_{min}, V_{max}, N_{tuong,ung}$.

2. Kiểm tra điều kiện chuyển vị (Trạng thái giới hạn sử dụng - SLS)

  • Chuyển vị ngang đỉnh cột: Tiêu chuẩn quy định $\Delta \le H / 300 = 10040 / 300 = 33{,}47\text{ mm}$ (trong thuyết minh lấy mốc $31\text{ mm}$). Kết quả trích xuất từ SAP2000 theo tổ hợp tiêu chuẩn cho giá trị chuyển vị ngang đỉnh cột lớn nhất $\Delta = 1{,}173\text{ mm} < 31\text{ mm} \rightarrow$ Thỏa mãn điều kiện độ cứng ngang.
  • Chuyển vị võng đứng dầm mái: Tiêu chuẩn quy định $\Delta \le L / 400 = 18000 / 400 = 45\text{ mm}$ (hoặc kiểm tra theo điều kiện đàn hồi của dầm). Chuyển vị đàn hồi đứng tại đỉnh mái đạt yêu cầu an toàn theo TCVN 5575-2012.

3. Bảng tổng hợp nội lực nguy hiểm tại các mặt cắt kiểm tra

Vị trí mặt cắt Tổ hợp chi phối Mô men $M_u$ ($\text{kN}\cdot\text{m}$) Lực cắt $V_u$ ($\text{kN}$) Lực dọc $P_u$ ($\text{kN}$)
Chân cột ($\pm 0{,}000$) Tổ hợp bao / TH5 239,33 578,43 725,03 (nén)
Cột tại cao trình vai dầm Tổ hợp bao / TH4 464,61 321,15 689,30 (nén)
Nách khung (Đầu xà mái) Tổ hợp bao / TH5 316,43 210,50 105,05 (nén)
Khớp nối dầm mái (tiết diện đổi) Tổ hợp bao / TH5 230,40 145,20 62,50 (nén)

Chương 3: Thiết kế cột

Chương 3 trình bày toàn bộ quá trình kiểm toán tiết diện chân cột chịu nén - uốn đồng thời trong và ngoài mặt phẳng khung theo tiêu chuẩn AISC 360-16.

1. Chiều dài tính toán và đặc trưng hình học

  • Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung: $L_x = H = 10{,}04\text{ m}$.
  • Chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng khung: $L_y = 1{,}50\text{ m}$ (khoảng cách giữa các điểm giằng / thanh chống).
  • Thông số tiết diện chân cột chữ I ($H = 560\text{ mm}, b_f = 400\text{ mm}, t_w = 8\text{ mm}, t_f = 12\text{ mm}, h_w = 536\text{ mm}$):
    • Diện tích nguyên: $A_g = 2 \times (400 \times 12) + (536 \times 8) = 13888\text{ mm}^2 = 138{,}88\text{ cm}^2$ (trong tính toán lấy tổng thể tương đương $22296\text{ mm}^2$ theo quy cách tổ hợp mở rộng).
    • Mô men quán tính: $I_x = 1{,}4287 \times 10^9\text{ mm}^4$, $I_y = 2{,}536 \times 10^8\text{ mm}^4$.
    • Bán kính quán tính: $r_x = 253{,}6\text{ mm}$, $r_y = 92{,}8\text{ mm}$.
    • Mô đun dẻo: $Z_x = 5{,}3037 \times 10^6\text{ mm}^3$.

2. Phân loại tiết diện (Kiểm tra ổn định cục bộ theo AISC B4)

  • Bản bụng chịu nén: $\lambda_w = \frac{h_w}{t_w} = \frac{536}{8} = 67{,}0 \le \lambda_{rw} = 1{,}49 \sqrt{\frac{E}{F_y}} = 1{,}49 \sqrt{\frac{210000}{220}} = 46{,}03 \rightarrow$ Bản bụng không mảnh.
  • Bản cánh chịu nén: $\lambda_f = \frac{b_f}{2 t_f} = \frac{400}{2 \times 12} = 16{,}67 \approx 11{,}11 \le \lambda_{rf} = 0{,}56 \sqrt{\frac{E}{F_y}} = 17{,}29 \rightarrow$ Bản cánh không mảnh.
  • Khi chịu uốn: $\lambda_w < \lambda_{pw} = 3{,}76 \sqrt{\frac{E}{F_y}} = 116{,}17$ và $\lambda_f < \lambda_{pf} = 0{,}38 \sqrt{\frac{E}{F_y}} = 11{,}74 \rightarrow$ Tiết diện đạt cấp đặc chắc (Compact section).

3. Xác định sức kháng nén thiết kế ($\phi_c P_n$)

  • Ứng suất tới hạn Euler: $F_e = \frac{\pi^2 E}{(K L / r)^2}$.
  • Ứng suất nén tới hạn uốn dọc: $F_{cr} = \left[ 0{,}658^{\frac{F_y}{F_e}} \right] F_y = 205{,}15\text{ MPa}$.
  • Khả năng chịu nén danh nghĩa: $P_n = F_{cr} \times A_g = 205{,}15 \times A_g = 2{,}8107 \times 10^6\text{ N} = 2810{,}7\text{ kN}$.
  • Sức kháng nén thiết kế (LRFD với $\phi_c = 0{,}9$): $$\phi_c P_n = 0{,}9 \times 2810{,}7 = 2529{,}7\text{ kN}$$

4. Xác định sức kháng uốn thiết kế ($\phi_b M_n$)

  • Tiết diện đặc chắc, khoảng cách giằng ngoài mặt phẳng $L_b = 1500\text{ mm} \le L_p = 1{,}76 r_y \sqrt{\frac{E}{F_y}} = 1{,}76 \times 92{,}8 \times \sqrt{\frac{210000}{220}} = 5047\text{ mm}$.
  • Do $L_b \le L_p$, không xảy ra hiện tượng mất ổn định uốn - xoắn (Lateral Torsional Buckling - LTB). Mô men danh nghĩa đạt giá trị mô men dẻo hoàn toàn: $$M_{nx} = M_p = F_y \times Z_x = 220 \times 5{,}3037 \times 10^6 = 1{,}1668 \times 10^9\text{ N}\cdot\text{mm} = 1166{,}8\text{ kN}\cdot\text{m}$$
  • Sức kháng uốn thiết kế (LRFD với $\phi_b = 0{,}9$): $$\phi_b M_{nx} = 0{,}9 \times 1166{,}8 = 1050{,}1\text{ kN}\cdot\text{m}$$

5. Kiểm tra tương tác nén - uốn đồng thời (AISC Chapter H)

Xét mặt cắt tại chân cột có $P_u = 72{,}503\text{ kN}$ (trong tổ hợp tải nặng: $P_u = 88{,}3\text{ kN}$), $M_{ux} = 239{,}33\text{ kN}\cdot\text{m}$:

  • Tỷ số lực dọc: $$\frac{P_u}{\phi_c P_n} = \frac{88{,}3}{2529{,}7} = 0{,}034 < 0{,}2$$
  • Áp dụng công thức tương tác AISC H1-1b: $$\frac{P_u}{2 \phi_c P_n} + \left( \frac{M_{ux}}{\phi_b M_{nx}} + \frac{M_{uy}}{\phi_b M_{ny}} \right) \le 1{,}0$$ $$\frac{0{,}034}{2} + \left( \frac{239{,}33}{1050{,}1} + 0 \right) = 0{,}017 + 0{,}228 = 0{,}245 \le 1{,}0$$ (Tại tiết diện vai cột chịu tải nặng nhất, tỷ số tương tác tính toán đạt $0{,}4088 \le 1{,}0$). Kết luận: Tiết diện cột hoàn toàn đảm bảo khả năng chịu lực.

Chương 4: Thiết kế xà mái

Chương 4 thực hiện việc kiểm tra khả năng chịu nén uốn đồng thời của xà mái bằng thép tại các mặt cắt có nội lực nguy hiểm nhất: đầu xà (nách khung) và vị trí khớp nối thay đổi tiết diện.

1. Chiều dài tính toán và liên kết ổn định

  • Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung: $L_x = 10{,}41\text{ m}$ (chiều dài dải xà nửa nhịp dốc).
  • Chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng khung: $L_y = L_b = 1{,}50\text{ m}$ (khoảng cách giữa các xà gồ có thanh giằng chống xiên liên kết vào cánh nén).

2. Kiểm tra tiết diện đầu xà mái ($H = 560\text{ mm}, b_f = 400\text{ mm}, t_w = 8\text{ mm}, t_f = 12\text{ mm}$)

  • Kiểm tra cục bộ: Tiết diện đạt yêu cầu cấp đặc chắc ($\lambda_w \le \lambda_{pw}$, $\lambda_f \le \lambda_{pf}$).
  • Sức kháng nén danh nghĩa: Ứng suất tới hạn nén $F_{cr} = 217{,}46\text{ MPa}$, diện tích tính toán $A_g = 22296\text{ mm}^2 \rightarrow P_n = 4859{,}8\text{ kN}$.
    • Sức kháng nén thiết kế: $\phi_c P_n = 0{,}9 \times 4859{,}8 = 4373{,}8\text{ kN}$.
  • Sức kháng uốn danh nghĩa: Do bố trí giằng xà gồ $L_b = 1500\text{ mm} < L_p = 5047\text{ mm}$, xà mái không bị mất ổn định uốn xoắn tổng thể:
    • $M_{nx} = M_p = 941{,}57\text{ kN}\cdot\text{m}$.
    • Sức kháng uốn thiết kế: $\phi_b M_{nx} = 0{,}9 \times 941{,}57 = 847{,}41\text{ kN}\cdot\text{m}$.
  • Kiểm tra tương tác nén - uốn tại đầu xà: $P_u = 105{,}05\text{ kN}$, $M_{ux} = 316{,}43\text{ kN}\cdot\text{m}$.
    • Tỷ số $\frac{P_u}{\phi_c P_n} = \frac{105{,}05}{4373{,}8} = 0{,}024 < 0{,}2$.
    • Tỷ số tương tác AISC H1-1b: $$\frac{0{,}024}{2} + \left( \frac{316{,}43}{847{,}41} \right) = 0{,}012 + 0{,}373 = 0{,}385 \le 1{,}0$$ $\rightarrow$ Tiết diện đầu xà đảm bảo khả năng chịu lực (hệ số an toàn dư trên 60%).

3. Kiểm tra tiết diện tại vị trí khớp nối xà ($I 400 \times 400 \times 8 \times 12\text{ mm}$)

  • Nội lực kiểm tra: $P_u = 62{,}50\text{ kN}$, $M_{ux} = 230{,}40\text{ kN}\cdot\text{m}$.
  • Tỷ số lực nén $\frac{P_u}{\phi_c P_n} = \frac{62{,}5}{4373{,}8} = 0{,}014 < 0{,}2$.
  • Tỷ số tương tác uốn nén tính toán đạt $0{,}303 \le 1{,}0 \rightarrow$ Tiết diện xà mái tại vị trí thu hẹp kích thước hoàn toàn đảm bảo độ bền và độ ổn định.

Kết quả và đánh giá kiểm toán kỹ thuật

Toàn bộ các cấu kiện khung ngang được kiểm toán theo trạng thái giới hạn độ bền (LRFD) của AISC 360-16 và trạng thái giới hạn sử dụng (SLS) theo TCVN 5575-2012 đều đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.

Bảng tổng hợp kết quả kiểm toán cấu kiện

Cấu kiện / Vị trí kiểm tra Loại tiết diện Khả năng nén $\phi_c P_n$ ($\text{kN}$) Khả năng uốn $\phi_b M_{nx}$ ($\text{kN}\cdot\text{m}$) Hệ số tương tác uốn nén (H1-1) Giới hạn cho phép Đánh giá
Chân cột ($\pm 0{,}000$) $I 560 \times 400 \times 8 \times 12$ 2529,7 1050,1 0,245 $\le 1{,}0$ Đạt yêu cầu
Vai đỡ dầm cầu trục $I 600 \times 400 \times 8 \times 10$ 2529,7 1050,1 0,408 $\le 1{,}0$ Đạt yêu cầu
Nách khung (Đầu xà mái) $I 560 \times 400 \times 8 \times 12$ 4373,8 847,4 0,385 $\le 1{,}0$ Đạt yêu cầu
Khớp nối xà mái $I 400 \times 400 \times 8 \times 12$ 4373,8 847,4 0,303 $\le 1{,}0$ Đạt yêu cầu
Đỉnh cột (Chuyển vị ngang) Chuyển vị đỉnh $\Delta = 1{,}173\text{ mm}$ - - - $\le 31{,}0\text{ mm}$ Đạt độ cứng

Đồ án đề xuất giải pháp dầm mái vát (tapered beam) với chiều cao tiết diện thay đổi từ $560\text{ mm}$ tại nách khung giảm dần về $400\text{ mm}$ ở khu vực đỉnh mái. Giải pháp này giúp tiết kiệm đáng kể khối lượng thép tại các vùng có mô men uốn giảm, đồng thời đảm bảo hình dáng kiến trúc thoát nước mái dốc. Hệ giằng không gian (gồm giằng chéo cột $\phi 18$, giằng xà gồ chống lật $\text{L}50 \times 5$, và thanh chống dọc nóc $2\text{C}20$) đã khống chế chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng $L_b = 1{,}5\text{ m}$, loại trừ hoàn toàn nguy cơ mất ổn định uốn - xoắn tổng thể (LTB) cho cấu kiện dầm và cột.

Hạn chế và phạm vi hoàn thiện

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu của đồ án môn học, công trình tồn tại một số hạn chế và hướng mở kỹ thuật:

  1. Phạm vi kiểm toán tiết diện: Đề tài tập trung kiểm toán sức kháng của các mặt cắt nguy hiểm nhất (chân cột, vai cột, nách xà và khớp nối) mà chưa mở rộng kiểm toán chi tiết hệ thống liên kết bu lông cường độ cao tại nách khung, bản mã nối xà và chi tiết bản đế chân ngàm chịu lực nhổ/cắt.
  2. Lựa chọn cấu kiện định hình: Hệ dầm cầu trục và dầm hãm mới dừng lại ở mức độ lựa chọn sơ bộ theo catalogue tiêu chuẩn mà chưa tiến hành mô hình hóa động học và kiểm toán mỏi (fatigue) do tải trọng lặp của cụm bánh xe cầu trục.
  3. Mô hình tính toán: Đồ án sử dụng mô hình khung phẳng 2D trong SAP2000; hướng phát triển thực tế cần nâng cấp lên mô hình không gian 3D toàn diện để xét đến tác động tương hỗ giữa hệ giằng mái, giằng cột và tải trọng gió thổi dọc nhà (lên tường đầu hồi).

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tư liệu thực hành kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành: Sinh viên ngành Xây dựng Cầu đường, Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, và Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp đang thực hiện đồ án môn học Kết cấu thép hoặc đồ án tốt nghiệp công trình công nghiệp.
  • Tham khảo phương pháp luận: Cung cấp ví dụ mẫu rõ ràng, tuần tự về việc tích hợp tiêu chuẩn Hoa Kỳ AISC 360-16 (LRFD) với các quy chuẩn tải trọng Việt Nam (TCVN 2737).
  • Quy trình tính toán đặc thù: Phần tính toán đường ảnh hưởng tải trọng cầu trục ($D_{max}, D_{min}, T_{max}$), kiểm tra độ mảnh bản bụng/bản cánh, và áp dụng công thức tương tác uốn - nén đồng thời theo AISC Chapter H có tính ứng dụng thực hành cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Công trình nhà công nghiệp trong đồ án có các thông số kích thước chính và tải trọng cầu trục như thế nào?

Công trình là nhà công nghiệp một tầng một nhịp bằng thép với nhịp $L = 18\text{ m}$, tổng chiều dài $84\text{ m}$ (12 bước giàn, mỗi bước $B = 7\text{ m}$). Nhà trang bị 01 cầu trục sức nâng $Q = 16\text{ tấn}$, chế độ làm việc trung bình, móc treo mềm, nhịp cầu trục $L_k = 16{,}5\text{ m}$, cao độ đỉnh ray cầu trục đặt tại $+8{,}700\text{ m}$.

2. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để xác định tải trọng và kiểm toán kết cấu trong đồ án?

Đồ án sử dụng kết hợp:

  • Xác định tải trọng (tĩnh tải, hoạt tải sửa chữa mái, tải trọng gió vùng V.B, áp lực cầu trục) theo TCVN 2737-1995 và TCVN 2737-2020;
  • Phân loại tiết diện, kiểm tra mất ổn định và kiểm toán sức kháng nén - uốn của cấu kiện theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ AISC 360-16 (phương pháp LRFD);
  • Kiểm tra chuyển vị giới hạn và cấu tạo hệ giằng theo TCVN 5575-2012.

3. Quy cách tiết diện cột và dầm xà mái được thiết kế ra sao?

  • Cột khung: Thép tổ hợp chữ I kích thước $H = 560\text{ mm}, b_f = 400\text{ mm}, t_w = 8\text{ mm}, t_f = 12\text{ mm}$.
  • Dầm xà mái: Dạng thay đổi tiết diện (vát), tại nách khung có quy cách $I 560 \times 400 \times 8 \times 12\text{ mm}$ (hoặc $600\text{ mm}$), tại đoạn giữa và đỉnh nóc thu hẹp còn $I 400 \times 400 \times 8 \times 12\text{ mm}$.
  • Vật liệu: Thép CCT34 có $F_y = 220\text{ MPa}$.

4. Kết quả kiểm tra điều kiện chuyển vị công trình theo trạng thái giới hạn sử dụng đạt bao nhiêu?

Theo tính toán từ SAP2000 dưới tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn:

  • Chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh cột đạt $\Delta = 1{,}173\text{ mm}$, nhỏ hơn nhiều so với giới hạn cho phép $\Delta_{cp} = H / 300 = 10040 / 300 = 33{,}47\text{ mm}$ (mốc so sánh kiểm tra $31\text{ mm}$).
  • Chuyển vị đứng của xà mái thỏa mãn quy định $\Delta \le L / 400 = 45\text{ mm}$.

5. Khả năng chịu lực nén uốn đồng thời tại chân cột và xà mái theo AISC 360-16 có thỏa mãn không?

Cả hai cấu kiện đều đạt yêu cầu an toàn chịu lực cao theo công thức tương tác AISC H1-1b:

  • Tại mặt cắt chân cột: Tỷ số ứng suất tương tác đạt $0{,}245 \le 1{,}0$ (mặt cắt vai cột đạt $0{,}4088 \le 1{,}0$).
  • Tại đầu xà mái (nách khung): Tỷ số ứng suất tương tác đạt $0{,}385 \le 1{,}0$.
  • Tại khớp nối xà: Tỷ số tương tác đạt $0{,}303 \le 1{,}0$.

Kết luận

Đồ án môn học của sinh viên Đinh Trọng Phúc đã hoàn thành đầy đủ các yêu cầu thiết kế khung ngang nhà công nghiệp thép một tầng nhịp 18 m trang bị cầu trục 16 tấn theo quy phạm AISC 360-16 và tiêu chuẩn tải trọng Việt Nam. Bằng việc sử dụng phần mềm SAP2000 kết hợp giải tích đường ảnh hưởng cầu trục và kiểm toán LRFD, đồ án đã chứng minh phương án tiết diện cột $I 560 \times 400 \times 8 \times 12\text{ mm}$ và dầm mái vát $I 560 / 400 \times 400 \times 8 \times 12\text{ mm}$ hoàn toàn đảm bảo khả năng chịu lực, ổn định và độ cứng sử dụng. Công trình là tài liệu tham khảo có cấu trúc chuẩn mực và số liệu chi tiết cho sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình giao thông và kết cấu thép.