Đồ án kết cấu thép thiết kế khung nhà xưởng công nghiệp Zamil B=7m

Tài liệu thực tập thực tế đồ án kết cấu thép thiết kế kèo thép cho nhà xưởng Zamil 16 bước cột b bằng 7.0m chi tiết và chính xác nhất.

• Tác giả: Nguyễn Quốc Trung
• Người hướng dẫn: ThS. Lưu Ngọc Cường
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật - Công nghệ Cần Thơ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng
• Đề tài: Thiết kế kèo thép cho nhà xưởng khung thép Yamil, nhà xưởng có 16 bước cột, bước cột B = 7,0m
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Cần Thơ

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế kèo thép nhà xưởng khung thép 16 bước cột bước 7

Thiết kế kèo thép cho nhà xưởng khung thép 16 bước cột bước 7.0m là quy trình quan trọng trong xây dựng công nghiệp. Kèo thép là thành phần chịu lực chính, đảm bảo độ ổn định và khả năng chịu tải của toàn bộ kết cấu. Nhà xưởng khung thép sử dụng hệ thống cột và kèo thép lắp ghép, giúp giảm thời gian thi công và chi phí. Bước cột 7.0m là khoảng cách tiêu chuẩn giữa các cột, ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng và khả năng chịu tải của kết cấu. Việc lựa chọn tiết diện kèo thép phù hợp với tải trọng và điều kiện khí hậu là yếu tố quyết định đến tuổi thọ công trình. Tiêu chuẩn thiết kế phải tuân thủ TCVN 5575:2012 và các quy định kỹ thuật liên quan.

1.1. Đặc điểm cấu tạo nhà xưởng khung thép 16 bước cột

Nhà xưởng khung thép 16 bước cột có cấu tạo gồm 16 cột thép chính đặt cách nhau 7.0m, tạo thành khung chịu lực vững chắc. Hệ thống kèo thép được lắp ghép giữa các cột, tạo thành khung ngang chịu tải trọng mái và gió. Mái nhà thường sử dụng tôn sóng hoặc panel cách nhiệt, gắn trực tiếp lên hệ xà gồ thép. Hệ giằng ngang và dọc được bố trí để tăng độ ổn định cho kết cấu. Các chi tiết liên kết như bulong, hàn được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo khả năng chịu lực. Bước cột 7.0m phù hợp cho nhà xưởng có nhịp lớn, tối ưu chi phí vật liệu.

1.2. Vai trò của kèo thép trong kết cấu nhà xưởng

Kèo thép đóng vai trò quan trọng trong kết cấu nhà xưởng, chịu tải trọng mái và truyền lực xuống cột. Kèo thép được thiết kế dưới dạng dầm thép chữ I hoặc hộp, đảm bảo khả năng chịu uốn và nén. Việc lựa chọn tiết diện kèo phụ thuộc vào tải trọng mái, bước cột và điều kiện môi trường. Kèo thép còn có chức năng phân bổ tải trọng đều lên toàn bộ khung, ngăn ngừa hiện tượng võng quá mức. Độ dốc mái thường từ 10-15% để thoát nước hiệu quả. Kèo thép kết hợp với hệ giằng tạo thành kết cấu không gian vững chắc.

II. Phân tích các vấn đề thường gặp trong thiết kế kèo thép 16 bước cột bước 7

Thiết kế kèo thép cho nhà xưởng 16 bước cột bước 7.0m gặp nhiều thách thức kỹ thuật. Vấn đề đầu tiên là lựa chọn tiết diện phù hợp với tải trọng lớn, đặc biệt khi có cầu trục hoạt động. Sai sót trong tính toán tải trọng gió theo TCVN 2737:2023 có thể dẫn đến kết cấu bị biến dạng hoặc sập đổ. Bước cột 7.0m lớn đòi hỏi hệ giằng phải được bố trí hợp lý để tránh rung lắc khi có tải trọng động. Việc lựa chọn vật liệu thép không đúng mác có thể gây hao mòn nhanh chóng do môi trường ăn mòn. Ngoài ra, liên kết giữa kèo và cột phải đảm bảo khả năng truyền lực tối đa, tránh hiện tượng trượt bulong.

2.1. Sai sót trong tính toán tải trọng gió

Tải trọng gió là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ ổn định của kèo thép. Sai sót thường gặp khi không phân vùng áp lực gió theo TCVN 2737:2023, dẫn đến tính toán thiếu chính xác. Đối với nhà xưởng có bước cột 7.0m, hệ số khí động phải được xác định dựa trên hình dạng mái và hướng gió chính. Việc bỏ qua tải trọng gió trong giai đoạn thiết kế sơ bộ có thể gây hậu quả nghiêm trọng khi công trình đưa vào sử dụng. Phần mềm phân tích kết cấu như SAP2000 cần được sử dụng để mô phỏng chính xác tải trọng gió tác dụng.

2.2. Lựa chọn tiết diện kèo thép không phù hợp

Lựa chọn tiết diện kèo thép dựa trên kinh nghiệm thay vì tính toán chính xác là nguyên nhân chính gây thất bại trong thiết kế. Tiết diện kèo phải đảm bảo khả năng chịu uốn do tải trọng mái và chịu nén do tải trọng gió. Sai lầm phổ biến là chọn tiết diện quá nhỏ, dẫn đến hiện tượng võng quá mức khi có tải trọng lớn. Ngược lại, tiết diện quá lớn gây lãng phí vật liệu và tăng chi phí thi công. Việc thay đổi tiết diện kèo theo chiều dài (thay đổi tiết diện) giúp tối ưu hóa khả năng chịu lực nhưng đòi hỏi kỹ thuật tính toán phức tạp.

III. Phương pháp thiết kế kèo thép nhà xưởng 16 bước cột bước 7

Thiết kế kèo thép theo phương pháp trạng thái giới hạn (ULS) và sử dụng giới hạn (SLS) đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế. Bước đầu tiên là xác định tải trọng tác dụng gồm tải trọng bản thân, tải trọng mái, tải trọng gió và hoạt tải sử dụng. Tiếp theo, lựa chọn sơ bộ tiết diện kèo dựa trên biểu đồ tương tác giữa mô men uốn và lực nén. Phần mềm ETABS hoặc SAP2000 được sử dụng để phân tích ứng suất và biến dạng. Kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện theo TCVN 5575:2012, bao gồm kiểm tra độ bền, độ ổn định và biến dạng. Cuối cùng, bản vẽ kỹ thuật chi tiết được lập để phục vụ thi công.

3.1. Xác định tải trọng và tổ hợp tải trọng

Tải trọng tác dụng lên kèo thép bao gồm tải trọng bản thân (tự trọng kèo, mái), tải trọng gió (theo TCVN 2737:2023), tải trọng cầu trục (nếu có) và hoạt tải sử dụng. Tổ hợp tải trọng nguy hiểm nhất là tổ hợp cơ bản (1.2D + 1.6L + 1.6W) theo tiêu chuẩn ASCE 7-16. Đối với nhà xưởng bước cột 7.0m, tải trọng gió chiếm tỷ trọng lớn, đặc biệt ở vùng ven biển. Phần mềm phân tích kết cấu phải được cập nhật theo phiên bản mới nhất để đảm bảo độ chính xác.

3.2. Tính toán và kiểm tra tiết diện kèo thép

Sau khi xác định tải trọng, tiến hành tính toán tiết diện kèo thép theo phương pháp trạng thái giới hạn. Kiểm tra khả năng chịu uốn, chịu nén và chịu cắt của tiết diện. Đối với kèo thép chữ I, kiểm tra độ bền theo công thức σ = M/W ≤ fy/γm. Độ ổn định cục bộ bản bụng và bản cánh cũng phải được xem xét. Sử dụng phần mềm ETABS để mô phỏng ứng suất và biến dạng. Nếu tiết diện không đủ khả năng chịu lực, tiến hành điều chỉnh kích thước hoặc thay đổi loại thép.

IV. Kết luận và ứng dụng thiết kế kèo thép trong thực tế

Thiết kế kèo thép cho nhà xưởng khung thép 16 bước cột bước 7.0m đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Việc tuân thủ tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 và TCVN 2737:2023 đảm bảo an toàn cho công trình. Kết cấu khung thép lắp ghép giúp rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí. Ứng dụng phần mềm phân tích kết cấu như ETABS, SAP2000 là xu hướng tất yếu trong thiết kế hiện đại. Việc lựa chọn vật liệu thép chất lượng cao và liên kết chắc chắn góp phần tăng tuổi thọ công trình. Đồ án kết cấu thép là cơ sở quan trọng cho sinh viên kỹ thuật xây dựng nắm vững kiến thức thực tế.

4.1. Tầm quan trọng của đồ án kết cấu thép trong đào tạo

Đồ án kết cấu thép là môn học quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư xây dựng. Nó cung cấp kiến thức thực tế về thiết kế, thi công và quản lý dự án xây dựng. Sinh viên được rèn luyện kỹ năng tính toán tải trọng, lựa chọn tiết diện và sử dụng phần mềm phân tích kết cấu. Qua đồ án, sinh viên hiểu rõ hơn về vai trò của kết cấu thép trong xây dựng công nghiệp. Đồ án cũng giúp sinh viên làm quen với quy trình làm việc chuyên nghiệp, từ lập hồ sơ thiết kế đến nghiệm thu công trình.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của thiết kế kèo thép

Thiết kế kèo thép được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng nhà xưởng, nhà kho, trung tâm thương mại và nhà máy sản xuất. Kết cấu khung thép lắp ghép giúp giảm thời gian thi công từ vài tháng xuống còn vài tuần. Việc sử dụng thép có độ bền cao giúp công trình chịu được tải trọng lớn và điều kiện môi trường khắc nghiệt. Thiết kế kèo thép còn cho phép mở rộng không gian sử dụng dễ dàng. Các dự án nhà xưởng hiện đại đều ưu tiên sử dụng kết cấu thép do tính linh hoạt và hiệu quả kinh tế cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA KHUNG NGANG  Chọn số liệu ban đầu: - Chọn cốt nhà trùng với cốt có cao độ ±0.00m để tính toán độ cao. - Với cầu trục có sức trục Q = 160 ( kN ), tra Bảng II.3, trang 87, sách Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp – TS. Phạm Minh Hà , ta có các thông số sau: Sức Nhịp Chiều Khoảng Bề rộng Bề Trong Trọng Áp Áp lực trục Q cầu cao cách gabarit rộng lượng lượng lực Pmin (kN) trục gabarit Zmin (m) Bk (m) đáy cầu trục xe con Pmax (kN) Lk (m) Hk (m) Kk G Gxe (kN) (m) (kN) (kN) 160 31 1. KÍCH THƯỚC THEO PHƯƠNG ĐỨNG - Chiều cao từ mặt ray cầu trục đến đáy xà ngang: (lấy chẵn 100 mm) Trong đó: bk = 0.61 (m) : là khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang, lấy không nhỏ hơn 200mm.190 (m) : là chiều cao gabarit của cầu trục, là khoảng cách từ mặt ray đến điểm cao nhất của cầu trục, lấy theo catalo cầu trục.8 (m) - Chiều cao của cột, tính từ mặt móng đến đỉnh cột (đáy xà): ( lấy chẵn 100mm ) Trong đó: H1 = 9 (m): là cao trình đỉnh ray, là khoảng cách nhỏ nhất từ mặt nền đến mặt ray cầu trục, xác định theo yêu cầu sử dụng và công nghệ.

H3 = 0 (m); là phần cột chôn dưới cốt mặt nền, lấy sơ bộ khoảng 0÷1m.8 (m) - Chiều cao của phần cột trên, từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang: SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 4 GVHD:ThS.LƯU NGỌC CƯỜNG Trong đó: Hdct : là chiều cao dầm cầu trục, lấy theo phần thiết kế dầm cầu trục hoặc chọn sơ bộ khoảng 1/8 – 1/10 nhịp dầm.2 (m) : là chiều cao của ray và đệm, lấy theo quy cách ray hoặc lấy sơ bộ khoảng 200mm. Ta có :  Chọn Hdct = 0.8 (m)  - Chiều cao của phần cột dưới, tính từ mặt móng đến mặt trên của vai cột: 1. KÍCH THƯỚC THEO PHƯƠNG NGANG - Coi trục định vị trùng với mép ngoài của cột (a = 0) - Khoảng cách giữa hai trục định vị (nhịp khung) xác định theo công thức sau: Trong đó: Lk = 31 (m) : là nhịp cầu trục. L1 = 1 (m) : là khoảng cách từ trục định vị đến trục ray đầu trục, L 1 = (0.75 1)m với sức trục dưới 30 tấn, tùy thuộc bề rộng nhịp nhà.

Ta có: - Chiều cao tiết diện cột chọn theo yêu cầu độ cứng:  Chọn h = 0.7 (m) - Kiểm tra khe hở giữa cầu trục và cột khung:  Thỏa điều kiện đảm bảo cho cầu trục không vướng vào cột khi hoạt động. SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 5 GVHD:ThS. SƠ ĐỒ TÍNH KHUNG NGANG 1. Chọn sơ bộ kích thước, tiết diện cột: - Chiều cao tiết diện đỉnh cột được chọn theo yêu cầu độ cứng:  Chọn h = 0.7 (m) - Bề rộng tiết diện đỉnh cột chọn theo các điều kiện cấu tạo và độ cứng:  Chọn b = 0.

Tiết diện đỉnh cột chọn sơ bộ - Chọn sơ bộ kích thước tiết diện chân cột: SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 6 GVHD:ThS.LƯU NGỌC CƯỜNG Hình 1. Tiết diện chân cột chọn sơ bộ 1. Chọn sơ bộ tiết diện xà ngang: - Chiều cao tiết diện nách khung ( thay đổi tiết diện ):  Chọn h1 = 0.85 (m) - Chiều rộng tiết diện nách khung:  Chọn b = 0.3 (m) - Bề dày bản bụng:  Chọn tw = 8 (mm) - Bề dày bản cánh:  Chọn = 10 (mm) SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 7 GVHD:ThS.LƯU NGỌC CƯỜNG Hình 1. Tiết diện xà ngang (thay đổi tiết diện) - Chiều cao đoạn xà ở giữa (tiết diện không đổi):  Chọn h2 = 0.3 (m) - Bề dày bản bụng:  Chọn tw = 10 (mm) - Bề dày bản cánh:  Chọn = 12 (mm) - Vị trí thay đổi tiết diện cách đầu cột một đoạn (0.4) chiều dài nửa xà: Ltđ  Chọn Ltđ = 6 (m) SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 8 GVHD:ThS.LƯU NGỌC CƯỜNG Hình 1.

Tiết diện xà ngang (tiết diện không đổi) 1. Chọn sơ bộ tiết diện vai cột - Kích thước tiết diện vai cột phụ thuộc vào tải trọng cầu trục ( lực tập trung do áp lực đứng của cầu trục và trọng lượng bản thân dầm cầu trục, trọng lượng ray, dầm hãm và hoạt tải trên cầu trục) và nhịp dầm vai (khoảng cách từ điểm đặt lực tập trung đến mép cột). Sơ bộ chọn tiết diện dầm vai như sau: + Chiều dài vai (từ mép trong cột đến cạnh ngoài cùng vai cột): Trong đó: L1 : là khoảng cách từ trục định vị tới trục ray cầu trục. hc : là chiều cao của cột.

Khoảng cách từ trục ray cầu trục đến cạnh ngoài cùng của vai cột lấy bằng 150mm. + Chọn chiều cao dầm tại điểm đặt Dmax : h = 0. + Chiều góc nghiêng bản cánh dưới với phương ngang là thì chiều cao tiết diện dầm vai tại ngàm:  Chọn hdv = 0.3 m ) - Chiều rộng tiết diện vai cột: b = bcot  Chọn b = 0.3 (m) - Chiều dày bản bụng vai cột: tw ≥ 8 (mm)  Chọn tw = 8 (mm) - Chiều dày bản cánh vai cột: (mm) SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 9 GVHD:ThS.LƯU NGỌC CƯỜNG  Chọn = 10 (mm) Hình 1. Các kích thước chính của khung ngang SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 10 GVHD:ThS.LƯU NGỌC CƯỜNG CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ GIẰNG 2.

HỆ GIẰNG MÁI VÀ HỆ GIẰNG CỘT 2.1 Hệ giằng mái - Được bố trí trong mặt phẳng thân cánh trên tại hai đầu hồi (hoặc gần đầu hồi), đầu các khối nhiệt độ và ở giữa nhà tùy theo chiều dài nhà, sao cho khoảng cách giữa các giằng bố trí cách nhau không quá 5 bước cột. Bản bụng của hai thanh xà ngang cạnh nhau được nối bởi các thanh giằng chéo chữ thập. - Các thanh giằng chéo này có thể là thép góc, thép tròn hoặc cáp thép mạ kẽm đường kính không nhỏ hơn 12mm, thép tròn đường kính không nhỏ hơn 20. Ngoài ra, cần bố trí các thanh chống dọc bằng thép hình ( thường là thép góc ) tại những vị trí quan trọng như đỉnh mái, đầu xà (cột) chân cửa mái… - Trường hợp nhà có cầu trục, cần bố trí thêm các thanh giằng chéo chữ thập dọc theo đầu cột để tăng độ cứng cho khung ngang theo phương dọc nhà và truyền các tải trọng ngang như tải trọng gió, lực hãm cầu trục ra các khung lân cận.

 Ta chọn thanh giằng mái bằng thép tròn 20.2 Hệ giặng cột - Hệ giằng cột có tác dụng bảo đảm độ cứng dọc nhà và giữ ổn định cho cột, tiếp nhận và truyền xuống móng các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà như tải trọng gió lên tường hồi, lực hãm dọc nhà của cầu trục. Hệ giằng cột gồm các thanh giằng chéo được bố trí trong phạm vi cột trên và cột dưới tại những gian có hệ giằng mái. - Chiều cao cột H = 10,8m > 9m, do đó bố trí thêm thanh chống dọc nhà tại vị trí cao độ +4,0 m. - Nhà có cầu trục với sức nâng là 16 tấn nên ta dùng thép tròn có đường kính không nhỏ hơn 20mm.

 Chọn thép tròn 22 - Ta chọn thanh giằng cột và thanh giằng đầu cột là thép chữ C có số hiệu 6CS2. - Trọng lượng bản thân của thép là g = 0. SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 11 GVHD:ThS.LƯU NGỌC CƯỜNG Hình 2. Mặt bằng mái SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 12 GVHD:ThS.LƯU NGỌC CƯỜNG Hình 2.

Mặt bằng bố trí hệ giằng cột SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 13 GVHD:ThS.LƯU NGỌC CƯỜNG SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 14 GVHD:ThS.LƯU NGỌC CƯỜNG SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 15 GVHD:ThS.LƯU NGỌC CƯỜNG CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ XÀ GỒ 3. THIẾT KẾ HỆ XÀ GỒ 3. Đặc trưng tiết diện hình học - Xà gồ mái trong khung thép nhẹ thường sử dụng thép tạo hình cán nguội thành mỏng (nhỏ hơn 3mm), tiết diện chữ C hoặc chữ Z. Đối với khung đang thiết kế chọn xà gồ là thép nguội tiết diện chữ C.

Sơ đồ tính của xà gồ C là dầm đơn giản. Xà gồ được tính toán như cấu kiện chịu uốn xiện (uốn trong 2 mặt phẳng). TÍNH TOÁN XÀ GỒ 3. Chọn sơ bộ xà gồ - Dựa vào catalo xà gồ, trong phụ lục II, Bảng 2-1, Trang 83, TS.

Phạm Minh Hà (2012) “Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một nhịp, một tầng”. - Chọn thép chữ C uốn nguội có số hiệu 10CS4x105 có các đặc trưng tiết diện sau: D = 250 (mm) Ix = 1290.29 (cm) - Diện tích tiết diện: 12.84 (cm2) - Tải trọng bản thân xà gồ : gxg = 0.0998 (kN/m) - Khoảng cách bố trí giữa các xà gồ trên mặt bằng chọn a = 1. Tiết diện xà gồ SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 16 GVHD:ThS. Tải trọng tác dụng lên xà gồ - Độ dốc mái i = 12% =>  Trường hợp 1: Tải trọng tác dụng gồm + Trọng lượng bản thân tấm lợp : + Trọng lượng bản thân xà gồ : = 0.0998 ( kN/m) ( lấy theo catalo) + Hoạt tải sửa chữa mái : ptc : = 0.3 (kN/m2) ( TCVN 2737:2023) + Hệ số vượt tải của tĩnh tải : + Hệ số vượt tải của hoạt tải sửa chữa mái :  Tổng tải trọng tác dụng lên xà gồ :  Trường hợp 2: Có kể đến tác động của tải gió và xà gồ - Tải trọng gió tác dụng lên xà gồ được tính theo công thức: Trong đó: + a : là khoảng cách giữa hai xà gồ theo mặt bằng a = 1.

Địa điểm xây dựng tại TP. Cần Thơ thuôc khu vực II-B. SVTH: NGUYỄN QUỐC TRUNG MSSV: 2101529 ĐỒ ÁN KẾT CẤU THÉP 17 GVHD:ThS.LƯU NGỌC CƯỜNG + k : hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình (Tra Bảng 9 TCVN 2737:2023).1: hệ số độ tin cậy của tải trọng gió + : hệ số hiệu ứng giật, ( h là chiều cao công trình (m) ) + c : là hệ số khí động Ta có : - Độ cao của công trình : 10. Địa điểm xây dựng tại TP.

Cần Thơ thuộc khu vực II-B.05 - Hệ số hiệu ứng giật : - Hệ số khí động : (Tra Bảng F.5 Trang 54 TCVN 2737:2023) + Xét hướng gió thổi ngang nhà ( ) Với độ dốc mái i = 12%  Hình 3.