I. Hướng dẫn thiết kế khung thép nhà công nghiệp tại TP
Thiết kế khung thép nhà công nghiệp là một hạng mục cốt lõi trong ngành xây dựng hiện đại, đặc biệt tại các trung tâm kinh tế như TP. HCM. Giải pháp nhà thép tiền chế mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với kết cấu bê tông truyền thống, bao gồm tốc độ thi công nhà xưởng nhanh, khả năng vượt nhịp lớn, tối ưu hóa không gian sử dụng và chi phí đầu tư. Một kết cấu thép nhà công nghiệp hiệu quả không chỉ đảm bảo an toàn chịu lực mà còn phải tối ưu về mặt kinh tế và công năng sử dụng. Quá trình này đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa kinh nghiệm của đơn vị thiết kế nhà xưởng và việc tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn thiết kế nhà công nghiệp hiện hành như TCVN 5575:2012. Việc lựa chọn vật liệu khung thép phù hợp, chẳng hạn như thép CCT38 với cường độ tiêu chuẩn f_y = 240 MPa như trong tài liệu tham khảo, là bước đầu tiên quyết định đến độ bền của toàn bộ công trình. Các công ty kết cấu thép uy tín sẽ thực hiện một quy trình thiết kế kết cấu thép bài bản, bắt đầu từ việc xác định các kích thước chính của khung ngang, tính toán tải trọng, cho đến việc thiết kế chi tiết các liên kết quan trọng.
1.1. Ưu điểm vượt trội của kết cấu thép nhà công nghiệp
Sử dụng kết cấu thép nhà công nghiệp mang lại nhiều lợi ích kinh tế và kỹ thuật. Đầu tiên là khả năng chịu lực cao và độ tin cậy lớn. Thép có cường độ lớn, giúp kết cấu nhẹ hơn nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu tải trọng nặng, phù hợp cho các nhà xưởng cần lắp đặt cầu trục. Thứ hai, tính cơ động trong vận chuyển và lắp dựng. Các cấu kiện nhà thép tiền chế được sản xuất đồng bộ tại nhà máy sản xuất kết cấu thép, sau đó vận chuyển đến công trường để thi công lắp dựng khung thép, giúp rút ngắn đáng kể tiến độ so với phương pháp truyền thống. Thứ ba, tính linh hoạt và khả năng mở rộng. Doanh nghiệp có thể dễ dàng cơi nới, mở rộng hoặc thay đổi công năng nhà xưởng trong tương lai mà không ảnh hưởng nhiều đến kết cấu hiện hữu. Cuối cùng, giải pháp này giúp tối ưu không gian nhờ khả năng vượt nhịp lớn, giảm thiểu số lượng cột giữa, tạo ra không gian sản xuất thông thoáng và hiệu quả.
1.2. Các yếu tố cốt lõi trong quy trình thiết kế kết cấu thép
Một quy trình thiết kế kết cấu thép hoàn chỉnh bao gồm nhiều giai đoạn quan trọng. Giai đoạn đầu tiên là khảo sát và thu thập số liệu đầu vào, bao gồm nhịp khung, bước cột, chiều cao nhà, sức nâng cầu trục và đặc điểm địa chất, khí hậu tại khu vực xây dựng (ví dụ: Vùng gió IIB tại TP. HCM). Giai đoạn tiếp theo là thiết kế cơ sở, trong đó kỹ sư sẽ xác định các kích thước sơ bộ của khung ngang, cột, và vì kèo thép nhà xưởng. Giai đoạn quan trọng nhất là tính toán kết cấu thép, nơi các tải trọng tác dụng lên khung được xác định và tổ hợp để tìm ra nội lực nguy hiểm nhất. Cuối cùng là giai đoạn thiết kế kỹ thuật thi công, bao gồm việc hoàn thiện các bản vẽ thiết kế nhà xưởng chi tiết cho từng cấu kiện và liên kết, đảm bảo tính chính xác và khả thi khi sản xuất và lắp dựng.
II. Phương pháp xác định tải trọng cho khung thép nhà công nghiệp
Việc xác định chính xác tải trọng là nền tảng cho một thiết kế khung thép nhà công nghiệp an toàn và bền vững. Theo tiêu chuẩn thiết kế nhà công nghiệp TCVN 2737:1995, tải trọng tác dụng lên khung ngang được chia thành nhiều loại khác nhau và phải được tổ hợp một cách bất lợi nhất để tính toán kết cấu thép. Các loại tải trọng chính bao gồm tĩnh tải, hoạt tải và tải trọng gió. Tĩnh tải bao gồm trọng lượng bản thân của các cấu kiện như tôn mái, xà gồ, trần kỹ thuật và trọng lượng của chính khung thép. Hoạt tải bao gồm hoạt tải sửa chữa trên mái và quan trọng nhất là hoạt tải do cầu trục gây ra, bao gồm cả áp lực đứng (P_max, P_min) và lực hãm ngang. Tải trọng gió được xác định dựa trên vùng áp lực gió (ví dụ, vùng IIB cho TP. HCM), dạng địa hình và chiều cao công trình. Việc tính toán và tổ hợp các tải trọng này (ví dụ, tổ hợp U14 trong tài liệu gốc) sẽ cung cấp các cặp nội lực (Momen và Lực dọc) nguy hiểm nhất, làm cơ sở để kiểm tra và thiết kế tiết diện cột, xà.
2.1. Phân tích tĩnh tải Tôn xà gồ và trọng lượng bản thân
Tĩnh tải là các tải trọng cố định, tác dụng thường xuyên lên kết cấu. Trong thiết kế khung thép nhà công nghiệp, tĩnh tải bao gồm trọng lượng của hệ bao che và trọng lượng của chính kết cấu. Cụ thể, tài liệu gốc đã tính toán trọng lượng tấm tôn sóng, trọng lượng bản thân xà gồ (tiết diện Z250x72x2.5), và trần treo kỹ thuật. Các giá trị này được quy đổi thành tải phân bố đều tác dụng lên xà ngang. Ví dụ, tài liệu tính toán ra tải trọng do tôn, xà gồ, trần treo là 1.14 kN/m. Ngoài ra, trọng lượng bản thân của dầm cầu trục cũng được quy thành tải tập trung đặt tại vai cột. Việc xác định chính xác các thành phần tĩnh tải này là bước quan trọng đầu tiên để đảm bảo bản vẽ thiết kế nhà xưởng phản ánh đúng thực tế chịu lực của công trình.
2.2. Tính toán hoạt tải mái và hoạt tải từ cầu trục chuyên dụng
Hoạt tải là các tải trọng tạm thời, có thể thay đổi về giá trị và vị trí. Theo TCVN 2737-1995, hoạt tải mái do thi công, sửa chữa có giá trị tiêu chuẩn là 0.3 kN/m². Tuy nhiên, thành phần hoạt tải quan trọng và phức tạp nhất trong xây dựng nhà xưởng khung thép là hoạt tải cầu trục. Nó bao gồm áp lực đứng lớn nhất (D_max) và nhỏ nhất (D_min) từ bánh xe cầu trục truyền xuống vai cột, cùng với lực hãm ngang (T) phát sinh khi cầu trục di chuyển hoặc dừng đột ngột. Tài liệu gốc đã phân tích chi tiết cách xác định các lực này thông qua đường ảnh hưởng, xét đến trường hợp hai cầu trục hoạt động ở vị trí bất lợi nhất. Các giá trị D_max, D_min và T sau đó được đưa vào các tổ hợp tải trọng để tìm ra nội lực nguy hiểm nhất cho cột.
2.3. Đánh giá tải trọng gió theo TCVN 2737 1995 tại TP. HCM
Tải trọng gió là một yếu tố không thể bỏ qua, đặc biệt tại các khu vực như TP. HCM. Việc tính toán tải trọng gió phải tuân thủ TCVN 2737-1995, dựa trên các thông số: áp lực gió tiêu chuẩn (W₀) theo vùng (ví dụ, W₀ = 1.25 kN/m² cho vùng IIB), hệ số khí động (C), và hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao (k). Tải trọng gió tác dụng lên công trình theo cả hai phương ngang và phương đứng (gió bốc). Nó gây ra áp lực đẩy lên mặt đón gió và áp lực hút lên mặt khuất gió và mái. Tư vấn thiết kế nhà kho và nhà xưởng phải phân tích cả hai trường hợp gió thổi ngang và thổi dọc nhà để xác định các tác động bất lợi nhất lên khung chịu lực. Kết quả tính toán này là một phần quan trọng của dịch vụ thiết kế trọn gói.
III. Bí quyết thiết kế cột và xà ngang cho nhà thép tiền chế
Sau khi xác định được nội lực từ các tổ hợp tải trọng, bước tiếp theo là thiết kế tiết diện cho các cấu kiện chính: cột và xà ngang. Đây là phần cốt lõi của giải pháp nhà xưởng công nghiệp bằng thép. Mục tiêu là chọn được tiết diện vừa đủ khả năng chịu lực, đảm bảo các điều kiện về độ bền, độ cứng (biến dạng) và ổn định, vừa tối ưu về khối lượng vật liệu khung thép để tiết kiệm chi phí. Thông thường, tiết diện cột và xà ngang có dạng chữ 'I' tổ hợp hàn. Việc lựa chọn chiều cao, bề rộng cánh và chiều dày bản bụng, bản cánh phải dựa trên các tính toán sơ bộ và kinh nghiệm. Tài liệu gốc đã chọn tiết diện sơ bộ cho cột là I-650x300x12x14. Tiết diện này sau đó phải được kiểm tra lại với cặp nội lực nguy hiểm nhất. Quá trình kiểm tra bao gồm kiểm tra bền, kiểm tra ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng khung, và kiểm tra ổn định cục bộ cho bản cánh và bản bụng. Một công ty kết cấu thép uy tín sẽ thực hiện các bước kiểm tra này một cách cẩn thận để đảm bảo an toàn tuyệt đối.
3.1. Lựa chọn tiết diện sơ bộ và đặc trưng hình học của cột
Việc chọn tiết diện sơ bộ là bước khởi đầu quan trọng. Chiều cao tiết diện cột (h) thường được chọn theo điều kiện độ cứng, ví dụ h = (1/15 ÷ 1/20)H, với H là chiều cao cột. Bề rộng cánh (b_f) và chiều dày bản cánh (t_f), bản bụng (t_w) được chọn theo kinh nghiệm và điều kiện cấu tạo. Sau khi có tiết diện sơ bộ (ví dụ I-650x300x12x14), các đặc trưng hình học quan trọng cần được tính toán, bao gồm: diện tích tiết diện (A), momen quán tính (I_x, I_y), momen chống uốn (W_x, W_y) và bán kính quán tính (i_x, i_y). Các thông số này là dữ liệu đầu vào không thể thiếu cho các bước kiểm tra bền và ổn định tiếp theo. Độ chính xác của các đặc trưng này ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả của toàn bộ quá trình tính toán kết cấu thép.
3.2. Kiểm tra độ bền và ổn định tổng thể của kết cấu thép
Đây là bước kiểm tra quan trọng nhất để đảm bảo cột và xà ngang không bị phá hoại dưới tác dụng của nội lực. Kiểm tra bền được thực hiện theo công thức: σ = N/A + M_x/W_x ≤ fγ_c, đảm bảo ứng suất lớn nhất trong tiết diện không vượt quá cường độ tính toán của thép. Kiểm tra ổn định tổng thể nhằm đảm bảo cấu kiện không bị mất ổn định (cong vênh) khi chịu nén và uốn đồng thời. Việc kiểm tra này phức tạp hơn, cần xét đến độ mảnh của cấu kiện (λ = l₀/i) và được thực hiện riêng cho mặt phẳng uốn và ngoài mặt phẳng uốn theo các công thức trong TCVN 5575:2012. Kết quả kiểm tra sẽ xác định tiết diện đã chọn có đạt yêu cầu hay không. Nếu không, đơn vị thiết kế nhà xưởng phải tăng kích thước tiết diện và tính toán lại.
3.3. Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng
Ổn định cục bộ là hiện tượng các bản thép mỏng (bản cánh, bản bụng) của tiết diện bị mất ổn định (phồng, oằn) trước khi toàn bộ cấu kiện đạt đến giới hạn bền. Để ngăn chặn hiện tượng này, tỷ lệ giữa chiều rộng và chiều dày của bản cánh (b/t_f) và tỷ lệ giữa chiều cao và chiều dày của bản bụng (h_w/t_w) phải thỏa mãn các điều kiện giới hạn quy định trong tiêu chuẩn. Tài liệu gốc đã thực hiện kiểm tra này và kết luận các bản cánh và bản bụng của tiết diện I-650x300x12x14 đều thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ. Việc này đảm bảo tiết diện có thể phát huy hết khả năng làm việc của vật liệu. Đây là một chi tiết kỹ thuật mà các chủ đầu tư cần lưu ý khi xem xét báo giá thiết kế nhà xưởng.
IV. Quy trình thiết kế các chi tiết liên kết khung thép chủ chốt
Một kết cấu thép nhà công nghiệp vững chắc không chỉ phụ thuộc vào cột và xà chính mà còn phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của các chi tiết liên kết. Các liên kết là nơi truyền lực giữa các cấu kiện, thường là những vị trí tập trung ứng suất cao và phức tạp nhất. Do đó, việc thiết kế chúng đòi hỏi sự chính xác và tuân thủ chặt chẽ các nguyên tắc kỹ thuật. Các loại liên kết chính trong một khung ngang bao gồm: liên kết chân cột với móng, liên kết vai cột (nơi gác dầm cầu trục), liên kết giữa cột và xà ngang, và mối nối đỉnh xà. Mỗi loại liên kết có sơ đồ chịu lực và phương pháp tính toán riêng. Tài liệu gốc đã dành một chương riêng (Chương 8) để trình bày chi tiết cách tính toán kết cấu thép cho các chi tiết này, từ việc xác định kích thước bản đế, tính toán bu lông neo, cho đến thiết kế đường hàn. Đây là phần thể hiện rõ nhất năng lực và kinh nghiệm của một đơn vị thiết kế nhà xưởng chuyên nghiệp.
4.1. Thiết kế chi tiết chân cột và hệ thống bu lông neo chịu lực
Chân cột là bộ phận truyền toàn bộ tải trọng từ khung xuống hệ móng. Thiết kế chân cột phải đảm bảo khả năng chịu momen, lực dọc và lực cắt tại tiết diện chân cột. Cấu tạo phổ biến bao gồm bản đế, sườn gia cường và bu lông neo. Kích thước bản đế được xác định từ điều kiện chịu ép của bê tông móng. Chiều dày bản đế được tính toán để chống lại sự uốn cong do phản lực của móng. Bu lông neo có nhiệm vụ chống lật và chống trượt cho chân cột. Lực kéo trong bu lông được xác định từ momen uốn và lực dọc. Việc lựa chọn đường kính và mác bu lông (ví dụ, bu lông ø36 mác CT38) phải dựa trên lực kéo tính toán này. Đây là một phần quan trọng trong dịch vụ thiết kế trọn gói.
4.2. Tính toán liên kết giữa cột và xà ngang mối nối khung
Liên kết giữa cột và xà ngang (thường ở vị trí nách khung) là một trong những liên kết quan trọng nhất, chịu momen uốn và lực cắt rất lớn. Liên kết này thường được thực hiện bằng mặt bích và bu lông cường độ cao. Quá trình thiết kế bao gồm việc tính toán lực kéo tác dụng lên hàng bu lông chịu kéo lớn nhất do momen gây ra, sau đó chọn đường kính và cấp bền bu lông (ví dụ, bu lông cường độ cao cấp bền 8.8) để đảm bảo khả năng chịu kéo. Chiều dày bản bích được tính toán để không bị uốn khi siết bu lông. Cuối cùng, các đường hàn liên kết cột/xà với bản bích phải được tính toán để đủ khả năng truyền lực. Việc thi công lắp dựng khung thép tại vị trí này đòi hỏi độ chính xác rất cao.
4.3. Giải pháp cho mối nối đỉnh xà và các liên kết phụ khác
Mối nối đỉnh xà là nơi liên kết hai nửa xà ngang tại đỉnh mái. Tương tự liên kết nách khung, nó cũng thường được cấu tạo bằng bản bích và bu lông cường độ cao. Nội lực tại đây thường nhỏ hơn ở nách khung, nhưng việc thiết kế vẫn phải đảm bảo truyền lực hiệu quả. Ngoài ra, một thiết kế khung thép nhà công nghiệp hoàn chỉnh còn bao gồm nhiều liên kết phụ khác như liên kết xà gồ vào xà ngang, liên kết hệ giằng vào khung. Mặc dù là chi tiết phụ, chúng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định tổng thể của toàn bộ hệ kết cấu. Tất cả các chi tiết này phải được thể hiện rõ ràng trên bản vẽ thiết kế nhà xưởng để quá trình thi công nhà xưởng diễn ra thuận lợi và chính xác.
