Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án môn học "Project Based Learning 5 (PBL5): Thiết kế và thi công nhà thép - Phần: Kết cấu" (mã lớp học phần 19NH68B) được nhóm sinh viên gồm Trần Minh Hải, Dương Văn Duy, Đỗ Xuân Đạt, Nguyễn Đình Huy và Phan Tấn Thiện thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Phan Cẩm Vân và TS. Lê Khánh Toàn tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng (hoàn thành tháng 12 năm 2022).

Bối cảnh thực tiễn của đồ án là việc thiết kế kết cấu chịu lực cho công trình công nghiệp mang tên "Nhà xưởng 4", phục vụ hoạt động sản xuất công nghiệp có trang bị hệ thống cầu trục vận hành liên tục. Địa điểm xây dựng công trình được xác định tại thành phố Nha Trang. Công trình có quy mô kết cấu gồm 1 tầng, 1 nhịp, chiều cao tổng thể 15 m, chiều dài kiến trúc theo phương dọc nhà là 120 m và chiều rộng kiến trúc theo phương ngang là 18 m.

Mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật được đề tài xác lập theo các nội dung đánh số cụ thể trong văn bản:

  1. Thể hiện mặt bằng kết cấu tổng thể của nhà xưởng công nghiệp.
  2. Lựa chọn kích thước hình học và tiết diện khung ngang: Cột sử dụng tiết diện đặc tổ hợp chữ H không đổi; xà mái sử dụng tiết diện tổ hợp chữ I thay đổi tiết diện 1 lần; xác lập liên kết chân cột với móng là liên kết ngàm, liên kết xà mái với cột là liên kết cứng, liên kết đỉnh khung là liên kết cứng.
  3. Thể hiện mặt cắt ngang kiến trúc công trình.
  4. Bố trí hệ giằng mái và giằng cột nhằm đảm bảo độ cứng không gian và truyền tải trọng gió xuống móng.
  5. Xác định đầy đủ các giá trị tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời tác dụng lên hệ khung ngang.
  6. Tính toán nội lực khung ngang bằng phần mềm phân tích kết cấu SAP2000 và thực hiện tổ hợp nội lực theo các trường hợp nguy hiểm.
  7. Tính toán thiết kế, kiểm tra tiết diện cột khung và chi tiết chân cột.
  8. Tính toán thiết kế, kiểm tra tiết diện xà mái và thiết kế chi tiết liên kết bu lông (liên kết xà với cột, liên kết nối xà tại vị trí thay đổi tiết diện, liên kết nối xà tại đỉnh nóc).

Đối tượng nghiên cứu trọng tâm là hệ kết cấu khung thép chịu lực phẳng tại trục 2 của nhà xưởng. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian giới hạn ở nhịp khung 18 m, bước khung 6 m (tổng số 20 bước cột dọc theo chiều dài 120 m), chiều cao cột 7,85 m, sức trục thiết kế 5 tấn ($Q = 50\text{ kN}$). Phạm vi thời gian và địa điểm tính toán tải trọng căn cứ theo điều kiện khí hậu tự nhiên tại Nha Trang ở thời điểm năm 2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và tiêu chuẩn thiết kế được tác giả áp dụng bao gồm:

  • Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995: Tiêu chuẩn tính toán tải trọng và tác động (xác định tải trọng gió, hoạt tải sửa chữa mái, tải trọng cầu trục).
  • Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575:2012: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép (tính toán kiểm tra bền đàn hồi, ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng, ổn định cục bộ và độ võng cấu kiện).
  • Tài liệu chuyên ngành: Giáo trình "Thiết kế khung thép nhà công nghiệp".

Phương pháp nghiên cứu và tính toán thực tế gồm có:

  • Phương pháp phần tử hữu hạn kết cấu: Mô hình hóa hệ thanh phẳng của khung ngang trục 2 trên phần mềm SAP2000 để xác định biểu đồ mô men uốn ($M$), lực cắt ($V$) và lực dọc ($N$) cho từng trường hợp tải trọng riêng biệt.
  • Phương pháp đường ảnh hưởng: Xác định vị trí bất lợi nhất của đoàn bánh xe cầu trục di động để tính toán áp lực đứng lớn nhất ($D_{max}$), áp lực đứng nhỏ nhất ($D_{min}$) truyền lên vai cột và lực hãm ngang ($T$) của xe con truyền vào cột khung.
  • Phương pháp tổ hợp nội lực: Thiết lập tổ hợp cơ bản 1 (tĩnh tải kết hợp một hoạt tải với hệ số tổ hợp $n_c = 1$) và tổ hợp cơ bản 2 (tĩnh tải kết hợp nhiều hoạt tải với hệ số tổ hợp $n_c = 0,9$) nhằm trích xuất các cặp nội lực nguy hiểm nhất ($M^+{max} - N{tư} - V_{tư}$, $M^-{max} - N{tư} - V_{tư}$, $N_{max} - M_{tư} - V_{tư}$).
  • Phương pháp kiểm tra cấu kiện theo trạng thái giới hạn: Kiểm tra trạng thái giới hạn thứ nhất về độ bền (tại 3 điểm ứng suất cục bộ A, B, C), độ ổn định tổng thể (sử dụng hệ số uốn dọc $\varphi_e, \varphi_y$, độ lệch tâm tương đối $m$ và độ lệch tâm tính đổi $m_e$); kiểm tra trạng thái giới hạn thứ hai về chuyển vị đỉnh cột và độ võng dầm xà mái.

Nguồn dữ liệu và thông số vật liệu đầu vào được xác định cụ thể:

  • Thép kết cấu: Mác thép CCT34 có mô đun đàn hồi $E = 2 \times 10^5\text{ N/mm}^2$, cường độ tính toán chịu kéo, nén, uốn $f = 210\text{ N/mm}^2$, giới hạn bền $f_u = 340\text{ N/mm}^2$, cường độ chịu cắt $f_v = 220\text{ N/mm}^2$.
  • Vật liệu hàn: Que hàn số 42 (hàn tay) có cường độ tính toán của đường hàn đối đầu $f_{wf} = 180\text{ N/mm}^2$, cường độ chịu cắt $f_{ws} = 153\text{ N/mm}^2$.
  • Bu lông liên kết: Bu lông cường độ cao cấp bền 8.8 có cường độ chịu cắt $f_{vb} = 320\text{ N/mm}^2$, chịu kéo $f_{tb} = 400\text{ N/mm}^2$, bu lông neo móng $f_{ba} = 320\text{ N/mm}^2$.
  • Móng công trình: Bê tông cấp độ bền B20.
  • Điều kiện địa chất - khí hậu: Địa hình xây dựng dạng A; áp lực gió tiêu chuẩn vùng IIA với $W_0 = 95\text{ daN/m}^2$, hệ số tin cậy tải trọng gió bằng 1,2.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu công trình

Chương 1 thiết lập các thông số mặt bằng, mặt cắt kiến trúc và giải pháp bố trí hệ kết cấu chịu lực cho Nhà xưởng 4.

  • Kích thước hình học tổng thể: Nhịp khung ngang $L = 18\text{ m}$; bước khung $B = 6\text{ m}$; 20 bước cột dọc nhà ($120\text{ m}$); cao trình ray cầu trục $H_1 = 6\text{ m}$; chiều cao ray $H_r = 0,2\text{ m}$; chiều cao dầm cầu trục $H_{dc} = 0,6\text{ m}$; chiều sâu chôn móng $H_{ch} = 1\text{ m}$. Chiều cao cột dưới tính toán là $H_d = 6,2\text{ m}$, chiều cao cột trên $H_{tr} = 2,647\text{ m}$, chiều cao toàn bộ cột là $7,85\text{ m}$.
  • Tiết diện sơ bộ cấu kiện: Cột khung chọn tiết diện chữ H đối xứng đặc không đổi $500 \times 250 \times 8 \times 12\text{ mm}$ (chiều cao $h = 500\text{ mm}$, bề rộng cánh $b_f = 250\text{ mm}$, chiều dày bụng $t_w = 8\text{ mm}$, chiều dày cánh $t_f = 12\text{ mm}$). Xà mái dạng dầm chữ I chia 4 đoạn lắp ghép: 2 đoạn nách khung có tiết diện thay đổi với chiều cao đầu dầm $h_{d1} = 500\text{ mm}$ vát về $h_{d2} = 300\text{ mm}$ trên chiều dài đoạn biến thiên $L_{tđ} = 3,8\text{ m}$; 2 đoạn giữa nhịp có tiết diện không đổi $h_{d2} = 300\text{ mm}$, bề rộng cánh $b_f = 250\text{ mm}$, $t_w = 8\text{ mm}$, $t_f = 12\text{ mm}$. Vai cột dạng công xôn chữ I có chiều dài vươn $L_v = 0,55\text{ m}$, chiều cao $h_{vc} = 450\text{ mm}$, $b_f = 250\text{ mm}$, $t_w = 10\text{ mm}$, $t_f = 14\text{ mm}$.
  • Kết cấu bao che và cửa mái: Độ dốc mái thoát nước $i = 10%$ ($\alpha \approx 5,711^\circ$); cửa mái cao $1,35\text{ m}$, bề rộng $2\text{ m}$, độ vươn công xôn dầm cửa mái $L_a = 1\text{ m}$, dùng thép hình chữ I ($W: 150 \times 5\text{ mm}^2, F: 120 \times 5\text{ mm}^2$).
  • Bố trí hệ giằng: Phương ngang xem như hệ cứng; phương dọc bố trí hệ giằng cột tại vị trí giữa chiều dài nhà ($L < 60\text{ m}$); hệ giằng mái bố trí tại hai đầu hồi và bổ sung một khoang giằng ở giữa khối nhà ($L < 75\text{ m}$) tạo thành 3 miếng cứng không gian.

Chương 2: Tính toán tải trọng

Chương này thực hiện thu thập và tính đổi các tải trọng tác dụng lên khung ngang trục 2:

  • Tĩnh tải: Trọng lượng các lớp mái gồm tôn lợp ($8,4\text{ daN/m}^2$), xà gồ Z dập nguội ($8,7\text{ daN/m}$ khi $B=6\text{ m}$), bông thủy tinh cách nhiệt ($1,2\text{ daN/m}^2$), hệ giằng mái và đường ống kỹ thuật ($2\text{ daN/m}^2$ mặt bằng); tổng tải trọng thường xuyên phân bố đều trên xà mái quy đổi đạt $103,4\text{ daN/m}$. Trọng lượng dầm cầu trục tập trung đặt lệch tâm cột $e = 1000\text{ mm}$ với giá trị tính toán $G_{dct} = 2,4\text{ kN}$. Tải trọng tường bao che truyền về cột qua hệ sườn tường có trọng lượng tiêu chuẩn $8,7\text{ daN/m}$.
  • Hoạt tải sửa chữa mái: Giá trị tiêu chuẩn $p^{tc} = 30\text{ daN/m}^2$, hệ số vượt tải $n_p = 1,3$, được xét độc lập trên 3 trường hợp: nửa nhịp trái, nửa nhịp phải và toàn bộ nhịp dầm mái.
  • Hoạt tải cầu trục: Sức trục $Q = 50\text{ kN}$, nhịp cầu trục $L_{ct} = 16\text{ m}$, áp lực bánh xe lên ray gồm $P_{max} = 35,3\text{ kN}$, $P_{min} = 10,3\text{ kN}$, khoảng cách 2 bánh xe $R = 2700\text{ mm}$, trọng lượng xe con $G_{xecon} = 5,1\text{ kN}$. Lực xô ngang của xe con phân bố cho mỗi bánh xe là $T_{1c} = 1,378\text{ kN}$. Lực tập trung đứng $D_{max}, D_{min}$ và lực xô ngang $T$ tác dụng lên vai cột được xác định dựa trên tổng tung độ đường ảnh hưởng với hệ số độ tin cậy $n = 1,1$ và hệ số tổ hợp hai cầu trục làm việc trung bình $n_c = 0,85$.
  • Tải trọng gió: Xác định theo TCVN 2737:1995 với $W_0 = 95\text{ daN/m}^2$, địa hình A. Hệ số độ cao tại cột $k_{cot} = 1,136$, tại mái $k_{mai} = 1,186$. Hệ số khí động gió ngang gồm vùng đẩy $C_{e1} = 0,8$, vùng hút $C_{e2} = -0,4$, vùng mái $C_{e3} = -0,5$, $C_{e4} = -0,568$. Gió dọc nhà tạo lực hút ra ngoài tại hai cột và hai mái với hệ số khí động mái bằng $-0,7$.

Chương 3: Nội lực và tổ hợp nội lực

Tác giả nhập số liệu khung phẳng trục 2 vào phần mềm SAP2000 để chạy phân tích đàn hồi tuyến tính cho 11 trường hợp tải trọng riêng biệt:

  • Các trường hợp tải trọng: Tĩnh tải, hoạt tải mái trái, hoạt tải mái phải, hoạt tải toàn mái, tải cầu trục $D_{max}$ trái, $D_{max}$ phải, lực hãm $T_{max}$ trái, $T_{max}$ phải, gió ngang từ trái qua (GXT), gió ngang từ phải qua (GXP), và gió dọc nhà.
  • Xuất biểu đồ và bảng giá trị nội lực $M, V, N$ tại các mặt cắt đặc trưng: Chân cột, tiết diện dưới vai cột, tiết diện trên vai cột, đỉnh cột, đầu đoạn xà 1 (nách khung), cuối đoạn xà 1 (vị trí nối xà thay đổi tiết diện), đầu đoạn xà 2 và cuối đoạn xà 2 (đỉnh mái).
  • Tiến hành lập bảng tổ hợp nội lực cơ bản 1 ($n_c = 1$) và tổ hợp cơ bản 2 ($n_c = 0,9$). Kết quả chỉ ra các trường hợp khống chế nguy hiểm phục vụ tính toán kiểm tra cấu kiện.

Chương 4: Kiểm tra chuyển vị

Chương này đánh giá các chỉ tiêu biến dạng và chuyển vị của hệ khung:

  • Chuyển vị ngang đỉnh cột ($D_x$): Xác định dưới tác dụng của tổ hợp tĩnh tải và tải trọng gió tiêu chuẩn, kết quả chuyển vị tại đỉnh cột thỏa mãn điều kiện giới hạn cho phép của nhà công nghiệp một tầng.
  • Kiểm tra độ võng dầm xà mái: Đối chiếu theo TCVN 5575:2012 với độ võng giới hạn cho phép $[f] = L/400 = 18000 / 400 = 45\text{ mm}$. Độ võng lớn nhất ghi nhận tại các phần tử: phần tử XA1 đạt $0,5\text{ mm}$ (tĩnh tải) và $1,31\text{ mm}$ (tĩnh tải + hoạt tải 2); phần tử XA2 đạt $1,31\text{ mm}$; phần tử XA3 đạt cực đại $3,5\text{ mm}$; phần tử XA4 đạt dưới $1\text{ mm}$. Tất cả các vị trí đều nhỏ hơn rất nhiều so với độ võng cho phép $45\text{ mm}$.

Chương 5: Kiểm tra tiết diện

Chương 5 trình bày toàn bộ các bước kiểm tra tiết diện cột thép chữ H $500 \times 250 \times 8 \times 12\text{ mm}$ dựa trên 3 tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất:

  • Các cặp nội lực tính toán tại cột:
    • TH1 ($M^+{max} - N{tư} - V_{tư}$): $M = 106,378\text{ kNm}$ ($106,195\text{ kNm}$), $N = 92,03\text{ kN}$, $V = 106,378\text{ kN}$.
    • TH2 ($M^-{max} - N{tư} - V_{tư}$): $M = -108,845\text{ kNm}$ ($-108,773\text{ kNm}$), $N = -38,557\text{ kN}$, $V = -24,845\text{ kN}$.
    • TH3 ($N^-{max} - M{tư} - V_{tư}$): $M = 56,184\text{ kNm}$ ($56,441\text{ kNm}$), $N = -154,376\text{ kN}$, $V = -26,\dots\text{ kN}$.
  • Kiểm tra bền: Tính toán ứng suất đàn hồi tại 3 điểm tiết diện (Điểm A chịu $M_x, N$; Điểm B chịu $M_x, N, V$; Điểm C tại trục trung hòa chịu $V, N$). Kết quả ứng suất lớn nhất ở TH1 đạt $10,04\text{ MPa}$, ở TH2 đạt $4,36\text{ MPa}$, ở TH3 đạt $17,46 - 17,69\text{ MPa}$. Tất cả các giá trị đều nhỏ hơn cường độ tính toán $f = 210\text{ MPa}$.
  • Kiểm tra ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung: Độ lệch tâm tương đối $m = (M/N) \cdot (A/W_x)$ (TH1: $m = 6,82$; TH2: $m = 16,67$; TH3: $m = 2,16$). Hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện $\eta = 1,188$ (đối với TH1, TH2) và $\eta = 1,468$ (đối với TH3). Hệ số uốn dọc lệch tâm $\varphi_e$ được tra bảng D.10 TCVN 5575:2012, thỏa mãn điều kiện ổn định nén uốn trong mặt phẳng.
  • Kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung: Xác định mô men tính toán quy đổi $M'$ từ mô men đỉnh cột, chân cột và đoạn giữa cột ($M' = 53,098\text{ kNm}$ ở TH1). Độ mảnh ngoài mặt phẳng $\lambda_y = 22,1$, hệ số uốn dọc trục $\varphi_y = 0,96$, hệ số giảm ứng suất $c = 0,249 - 0,263$. Ứng suất tính toán kiểm tra đạt $4,1201\text{ kN/cm}^2 \le f = 21\text{ kN/cm}^2$, thỏa mãn điều kiện ổn định ngoài mặt phẳng.

Chương 6: Thiết kế các chi tiết

Chương cuối cùng hoàn thiện cấu tạo các nút liên kết chính của khung ngang:

  • Liên kết chân cột với móng: Chân cột liên kết ngàm chịu mô men uốn và lực nén lớn, cấu tạo gồm bản đế, sườn gia cường, dầm đế và cụm bu lông neo móng cấp bền 8.8 neo sâu vào móng bê tông B20.
  • Liên kết nách khung (cột với xà): Sử dụng liên kết bản bích đặt nghiêng kết hợp đường hàn xà vào bản bích và hệ bu lông cường độ cao cấp bền 8.8 chịu kéo và cắt.
  • Liên kết nối xà với xà (tại vị trí thay đổi tiết diện): Dùng bản bích và bu lông liên kết nối phân đoạn lắp ghép tại vị trí cách đầu cột $3,8\text{ m}$.
  • Liên kết đỉnh nóc xà: Liên kết đối xứng hai nửa xà tại đỉnh mái bằng bản bích đặt thẳng đứng và hệ bu lông cường độ cao.

Kết quả và đóng góp

Văn bản ghi nhận đầy đủ các thông số kiểm tra chịu lực và các chỉ tiêu chuyển vị của công trình nhà xưởng:

Cấu kiện / Vị trí Trường hợp kiểm tra Giá trị tính toán Giá trị cho phép / Giới hạn tiêu chuẩn Trạng thái đánh giá
Cột khung (Kiểm tra bền) TH1 ($M^+_{max}$) $\sigma = 10,04\text{ MPa}$ $f = 210\text{ MPa}$ Đạt yêu cầu
Cột khung (Kiểm tra bền) TH2 ($M^-_{max}$) $\sigma = 4,36\text{ MPa}$ $f = 210\text{ MPa}$ Đạt yêu cầu
Cột khung (Kiểm tra bền) TH3 ($N_{max}$) $\sigma = 17,69\text{ MPa}$ $f = 210\text{ MPa}$ Đạt yêu cầu
Cột khung (Ổn định ngoài mp) TH1 $\sigma = 4,1201\text{ kN/cm}^2$ $f = 21\text{ kN/cm}^2$ Đạt yêu cầu
Xà mái (Độ võng đoạn XA1) Tĩnh tải + Hoạt tải 2 $f_{XA1} = 1,31\text{ mm}$ $[f] = L/400 = 45\text{ mm}$ Đạt yêu cầu
Xà mái (Độ võng đoạn XA3) Tĩnh tải + Hoạt tải 2 $f_{XA3} = 3,50\text{ mm}$ $[f] = L/400 = 45\text{ mm}$ Đạt yêu cầu

Các giải pháp kỹ thuật do tác giả đề xuất bao gồm:

  • Tối ưu hóa trọng lượng kết cấu thép mái bằng cách phân đoạn dầm xà thành 4 cấu kiện vận chuyển lắp ghép; trong đó thiết kế xà có tiết diện biến thiên vát từ $500\text{ mm}$ xuống $300\text{ mm}$ trong phạm vi $3,8\text{ m}$ đầu cột, giúp phân bổ vật liệu phù hợp với biểu đồ mô men nách khung lớn và giảm tĩnh tải cho vùng giữa nhịp.
  • Thiết lập hệ thống giằng không gian hoàn chỉnh gồm 3 khối cứng độc lập (giằng cột giữa nhà, giằng mái hai đầu hồi và giữa nhịp) nhằm khống chế biến dạng dọc công trình dưới tác động của tải trọng gió và lực hãm xe con cầu trục.

Đóng góp kỹ thuật mà tác giả tự xác định là đã hoàn thành quy trình tính toán thiết kế khép kín cho nhà xưởng công nghiệp một tầng một nhịp theo hệ tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành (TCVN 2737:1995 và TCVN 5575:2012), từ khâu thu thập tải trọng, mô hình hóa phân tích nội lực trên SAP2000, tổ hợp nội lực đến khâu kiểm tra cấu kiện nén uốn và cấu tạo các nút liên kết bu lông thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế và hướng mở được xác định trực tiếp từ nội dung và phạm vi nghiên cứu của văn bản:

  • Mô hình phân tích nội lực được giải quyết trên bài toán khung phẳng 2D (khung trục 2). Mặc dù hệ giằng đã được tính toán bố trí, tương tác làm việc không gian tổng thể 3D giữa toàn bộ hệ kết cấu khung, xà gồ và hệ giằng chưa được phân tích đồng thời trên cùng một mô hình phần tử hữu hạn.
  • Đồ án tập trung tính toán tải trọng gió và tải trọng cầu trục làm việc ở chế độ trung bình, chưa xét đến các tác động đặc biệt như tải trọng động đất hay tính toán kiểm tra chịu lửa cho kết cấu thép.
  • Trong thuyết minh trích xuất, phần thi công mới chỉ dừng lại ở các nguyên tắc cấu tạo liên kết bu lông và đường hàn lắp ghép cấu kiện, chưa trình bày chi tiết biện pháp tổ chức mặt bằng thi công, biện pháp cẩu lắp kết cấu thép tại hiện trường.

Giá trị tham khảo

Bản thuyết minh đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho sinh viên theo học ngành Kỹ thuật Xây dựng, Kỹ thuật Công trình Xây dựng khi thực hiện đồ án môn học Kết cấu thép hoặc các học phần thiết kế theo dự án (PBL).

Nội dung đồ án cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết ở các phần:

  • Phương pháp tra cứu và tính đổi tải trọng gió theo TCVN 2737:1995 cho nhà xưởng có cửa mái thông gió tại vùng duyên hải.
  • Các bước lập sơ đồ đường ảnh hưởng để xếp tải bánh xe cầu trục và xác định lực xô ngang của xe con lên vai cột.
  • Bảng biểu và quy tắc tổ hợp nội lực cơ bản 1 và cơ bản 2 từ kết quả xuất mô hình SAP2000.
  • Trình tự các bước kiểm tra ổn định tổng thể thanh nén uốn theo phụ lục D và bảng 16 của TCVN 5575:2012.

Câu hỏi thường gặp

Công trình sử dụng mác thép và bu lông liên kết nào, các chỉ tiêu cường độ tính toán ra sao? Công trình sử dụng thép kết cấu mác CCT34 có mô đun đàn hồi $E = 2 \times 10^5\text{ N/mm}^2$, cường độ tính toán chịu nén, kéo, uốn $f = 210\text{ N/mm}^2$, cường độ chịu cắt $f_v = 220\text{ N/mm}^2$, giới hạn bền $f_u = 340\text{ N/mm}^2$. Bu lông liên kết thuộc cấp bền 8.8 có cường độ chịu kéo $f_{tb} = 400\text{ N/mm}^2$, chịu cắt $f_{vb} = 320\text{ N/mm}^2$ và bu lông neo chân cột $f_{ba} = 320\text{ N/mm}^2$. Que hàn sử dụng là que hàn N42 hàn tay có $f_{wf} = 180\text{ N/mm}^2$.

Quy cách kích thước tiết diện cột và xà ngang khung được lựa chọn như thế nào? Cột khung có tiết diện chữ H đối xứng đặc không đổi $500 \times 250 \times 8 \times 12\text{ mm}$ ($h = 500\text{ mm}, b_f = 250\text{ mm}, t_w = 8\text{ mm}, t_f = 12\text{ mm}$). Xà mái dạng dầm chữ I có bản cánh rộng $250\text{ mm}$, $t_w = 8\text{ mm}$, $t_f = 12\text{ mm}$, chia thành đoạn thay đổi tiết diện ở nách khung vát từ chiều cao $500\text{ mm}$ xuống $300\text{ mm}$ dài $3,8\text{ m}$ và đoạn giữa nhịp có tiết diện không đổi cao $300\text{ mm}$.

Tải trọng gió tác dụng lên khung được xác định dựa trên những thông số khí hậu và địa hình nào tại Nha Trang? Tải trọng gió tính theo TCVN 2737:1995 với địa điểm Nha Trang thuộc vùng áp lực gió IIA, áp lực gió tiêu chuẩn $W_0 = 95\text{ daN/m}^2$, hệ số tin cậy 1,2. Công trình xây dựng trên vùng địa hình dạng A, có hệ số độ cao ở cột $k_{cot} = 1,136$ và ở mái $k_{mai} = 1,186$. Hệ số khí động mặt đón gió $C_{e1} = 0,8$, mặt hút gió $C_{e2} = -0,4$, trên mái $C_{e3} = -0,5$ và $C_{e4} = -0,568$.

Kết quả kiểm tra độ võng của các đoạn dầm xà mái có thỏa mãn yêu cầu tiêu chuẩn không? Độ võng xà mái được kiểm tra theo TCVN 5575:2012 với ngưỡng cho phép $[f] = L/400 = 18000 / 400 = 45\text{ mm}$. Giá trị độ võng tính toán lớn nhất trong các trường hợp tải trọng tại đoạn XA1 là $1,31\text{ mm}$, đoạn XA2 là $1,31\text{ mm}$, đoạn XA3 là $3,5\text{ mm}$ và đoạn XA4 dưới $1\text{ mm}$. Tất cả các giá trị đều nhỏ hơn nhiều so với giới hạn cho phép, đảm bảo độ cứng uốn của kết cấu mái.

Việc tổ hợp nội lực cột khung được thực hiện như thế nào và cặp nội lực nào gây nguy hiểm nhất? Tổ hợp nội lực được chia làm hai nhóm: Tổ hợp cơ bản 1 (tĩnh tải + 1 hoạt tải, hệ số 1,0) và tổ hợp cơ bản 2 (tĩnh tải + các hoạt tải, hệ số 0,9). Ba cặp nội lực nguy hiểm nhất được chọn ra để kiểm tra cột gồm TH1 ($M^+{max} = 106,378\text{ kNm}$, $N = 92,03\text{ kN}$), TH2 ($M^-{max} = -108,845\text{ kNm}$, $N = -38,557\text{ kN}$) và TH3 ($N_{max} = -154,376\text{ kN}$, $M = 56,184\text{ kNm}$).

Kết luận

Đồ án PBL5 "Thiết kế và thi công nhà thép - Phần: Kết cấu" đã giải quyết hoàn chỉnh nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật khung ngang chịu lực cho nhà xưởng công nghiệp một tầng một nhịp nhịp 18 m trang bị cầu trục 5 tấn tại Nha Trang. Việc ứng dụng công cụ tính toán SAP2000 kết hợp chặt chẽ với các tiêu chuẩn thiết kế TCVN 2737:1995 và TCVN 5575:2012 đã đưa ra giải pháp kết cấu an toàn, tiết kiệm vật liệu thông qua xà mái tiết diện thay đổi và hệ giằng không gian hợp lý. Toàn bộ các kiểm tra về độ bền đàn hồi, ổn định nén uốn tổng thể và độ võng công trình đều thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật theo quy định hiện hành.