Bối cảnh và nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật

Nhà công nghiệp một tầng một nhịp bằng kết cấu thép là giải pháp kiến trúc và kết cấu phổ biến trong xây dựng công nghiệp nhờ khả năng vượt nhịp lớn, thời gian thi công nhanh, trọng lượng bản thân nhẹ và độ tin cậy chịu lực cao khi vận hành các thiết bị nâng chuyển hạng nặng. Đồ án môn học "Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp nhẹ một tầng một nhịp" do sinh viên Nguyễn Minh Tâm (Lớp D21XDK3, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung) thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Văn Trình, tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho khung nhà thép tiền chế có cầu trục phục vụ sản xuất.

Nhiệm vụ thiết kế của đồ án được triển khai cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Lập mặt bằng bố trí hệ giằng mái và hệ giằng cột nhằm đảm bảo độ cứng không gian và ổn định tổng thể cho công trình.
  2. Tính toán và lựa chọn tiết diện xà gồ mái (xà gồ cán nóng và xà gồ dập nguội) chịu tải trọng bản thân, hoạt tải sửa chữa và tải trọng gió bốc.
  3. Xác định kích thước hình học chính của khung ngang theo phương đứng và phương ngang dựa trên thông số công nghệ của cầu trục và yêu cầu sử dụng.
  4. Xác định các loại tải trọng tác dụng lên khung ngang bao gồm tĩnh tải, hoạt tải mái, áp lực đứng và lực hãm ngang của cầu trục, cùng tải trọng gió theo tiêu chuẩn hiện hành.
  5. Thiết lập sơ đồ tính, mô hình hóa kết cấu trên phần mềm SAP2000, phân tích nội lực, kiểm tra chuyển vị đỉnh cột và tiến hành tổ hợp nội lực.
  6. Thiết kế tiết diện cột khung và xà ngang (kiểm tra độ bền, ổn định tổng thể, ổn định cục bộ theo TCVN 5575:2012).
  7. Thiết kế và cấu tạo các chi tiết liên kết nút khung: vai cột đỡ dầm cầu trục, chân cột ngàm với móng (bản đế, dầm đế, bulông neo), mối nối cột - xà ngang và mối nối đỉnh xà.

Phạm vi và thông số thiết kế được xác lập trong đồ án:

Thông số thiết kế Ký hiệu Giá trị định lượng Đơn vị
Nhịp khung ngang $L$ 24,0 m
Bước cột $B$ 6,2 m
Số bước cột $n$ 13 bước (chiều dài 80,6 m)
Sức nâng cầu trục $Q$ 10 (2 cầu trục, móc mềm) Tấn
Cao trình đỉnh ray $H_1$ 9,2 m
Độ dốc mái $i$ 12 %
Áp lực gió tiêu chuẩn $W_0$ 125 $\text{daN/m}^2$
Dạng địa hình - Địa hình C -
Chu kỳ dao động riêng $T_1$ > 1,0 s

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Đồ án áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng hiện hành của Việt Nam để tính toán tải trọng, nội lực và khả năng chịu lực của cấu kiện thép:

  • Tiêu chuẩn tính toán kết cấu thép: TCVN 5575:2012 "Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế", dùng để kiểm tra độ bền, ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng uốn, ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng cấu kiện chữ I đối xứng và thay đổi tiết diện.
  • Tiêu chuẩn xác định tải trọng và tác động: TCVN 2737:2023 dùng để xác định tải trọng gió theo chiều cao tương đương $Z_e$ và hệ số khí động $c_e$; TCVN 2737:1995 dùng để quy đổi hoạt tải sửa chữa mái tôn ($p_c = 0{,}3\text{ kN/m}^2$, hệ số độ tin cậy $n = 1{,}3$).
  • Vật liệu sử dụng: Thép kết cấu mác CCT42; bê tông móng cấp độ bền B20; que hàn N46 sử dụng phương pháp hàn tay không bản lót; liên kết bulông chịu lực sử dụng loại bulông tinh.

Phương pháp tính toán và xử lý số liệu bao gồm:

  • Phương pháp đường ảnh hưởng: Xác định áp lực đứng lớn nhất ($D_{\max}$), nhỏ nhất ($D_{\min}$) và lực hãm ngang ($T_{\max}$) tác dụng lên vai cột khi 2 cầu trục sức nâng 10 tấn di chuyển vào vị trí bất lợi nhất.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn: Mô hình hóa khung phẳng đàn hồi trên phần mềm SAP2000 để giải bài toán tĩnh học cho từng trường hợp tải trọng riêng biệt.
  • Phương pháp tổ hợp nội lực: Thực hiện tổ hợp cơ bản 1 (Tĩnh tải + 1 Hoạt tải với hệ số $n_c = 1{,}0$) và tổ hợp cơ bản 2 (Tĩnh tải + các Hoạt tải với hệ số giảm tải $n_c = 0{,}9$) nhằm xác định 3 cặp nội lực nguy hiểm tại các tiết diện đặc trưng: $(M_{\max}, N_{\text{tư}}, V_{\text{tư}})$, $(M_{\min}, N_{\text{tư}}, V_{\text{tư}})$, và $(N_{\max}, M_{\text{tư}}, V_{\text{tư}})$.

Nội dung chính theo từng phần thiết kế

1. Số liệu thiết kế và quy cách vật liệu

Tác giả tổng hợp đầy đủ các dữ liệu đầu vào về hình học công trình, công nghệ cầu trục ($Q = 10\text{ T}$), tải trọng tự nhiên (vùng gió áp lực $125\text{ daN/m}^2$, địa hình C), mác thép CCT42, bê tông móng B20 và loại que hàn N46.

2. Thiết kế hệ giằng

  • Hệ giằng mái: Bố trí theo phương ngang tại 2 gian đầu hồi và các gian giữa nhà sao cho khoảng cách giữa các khối không quá 5 bước cột. Thanh giằng chéo chữ thập sử dụng thép tròn đường kính $\ge 12\text{ mm}$, thanh chống dọc bằng thép góc đặt tại đỉnh mái và đầu cột với độ mảnh giới hạn $\lambda \le 200$. Cánh dưới của xà ngang chịu nén khi có gió bốc được gia cường bằng các thanh giằng chống xiên liên kết vào xà gồ cách xà 600–800 mm.
  • Hệ giằng cột: Bố trí thành 2 lớp (lớp trên từ dầm hãm đến đầu cột; lớp dưới từ mặt nền đến dầm vai). Do sức trục $Q = 10\text{ T} < 15\text{ T}$, thanh giằng chéo chữ thập sử dụng thép tròn đường kính $\ge 20\text{ mm}$, khống chế độ mảnh $\lambda \le 200$.

3. Thiết kế xà gồ cán nóng và dập nguội

  • Xà gồ cán nóng: Chọn sơ bộ thép hình chữ $[12$, khoảng cách giữa các xà gồ $1{,}45\text{ m}$ theo mặt dốc $i = 12%$. Tác giả tính toán tải trọng uốn theo 2 phương $x, y$, kiểm tra ứng suất uốn ($\sigma \le f$), kiểm tra độ võng theo phương $y$ ($f/L \le 1/200$) và kiểm tra điều kiện chịu gió bốc theo TCVN 2737:2023 với hệ số $k(Z_e) = 0{,}76$. Kết quả kiểm tra đều thỏa mãn điều kiện chịu lực và biến dạng.
  • Xà gồ dập nguội: Kiểm tra phương án xà gồ tiết diện Z15015 dựa trên bảng tra tải trọng cho phép của dầm đơn giản có 1 thanh giằng.

4. Xác định các kích thước chính của khung ngang và sơ đồ tính

  • Kích thước theo phương đứng: Tính toán chiều cao từ đỉnh ray đến đáy xà ngang ($H_2 = 2{,}4\text{ m}$ bao gồm chiều cao gabarit cầu trục $H_k = 960\text{ mm}$ và khe hở an toàn), chiều cao cột chôn dưới cốt nền $H_3 = 0{,}5\text{ m}$, tổng chiều cao cột tính từ mặt móng đến đáy xà $H = 12{,}1\text{ m}$, chiều cao đỉnh mái $h_{\text{mái}} = 12{,}3\text{ m}$.
  • Kích thước theo phương ngang: Vì $Q < 30\text{ T}$, trục định vị lấy trùng mép ngoài cột ($a = 0$), khoảng cách trục ray đến trục định vị là $0{,}75\text{ m}$. Chiều cao tiết diện cột chọn $h_c = 750\text{ mm}$.
  • Sơ đồ tính: Khung một tầng một nhịp liên kết ngàm tại mặt móng cốt $-0{,}5\text{ m}$. Tiết diện cột không đổi ($I_1$). Tiết diện xà ngang dạng hình nêm thay đổi: đoạn 4m đầu xà có tiết diện thay đổi ($I_1 \to I_2$), đoạn 8m giữa xà có tiết diện không đổi ($I_2$), thỏa mãn giả thiết $I_1/I_2 = 2$. Liên kết xà - cột và liên kết đỉnh xà là liên kết cứng.

5. Tải trọng tác dụng lên khung ngang

Tác giả tính toán chi tiết 11 trường hợp tải trọng tác dụng lên khung:

  • Tĩnh tải (TT): Trọng lượng bản thân tấm lợp và xà gồ ($0{,}15\text{ kN/m}^2$), hệ giằng ($0{,}2\text{ kN/m}^2$), tôn tường quy về tải tập trung đỉnh cột ($0{,}15\text{ kN/m}^2$), trọng lượng dầm cầu trục ($1{,}5\text{ kN/m}$) quy về lực tập trung lệch tâm tại vai cột.
  • Hoạt tải mái: Xét 3 trường hợp gồm hoạt tải rải đều cả mái ($HT_{\text{mái}}$), hoạt tải nửa mái trái ($HT_{\text{mái-T}}$) và hoạt tải nửa mái phải ($HT_{\text{mái-P}}$).
  • Hoạt tải cầu trục: Cầu trục $10\text{ T}$ có thông số $L_k = 22{,}5\text{ m}$, $P_{\max} = 70{,}7\text{ kN}$, $P_{\min} = 21{,}1\text{ kN}$, bề rộng $B_k = 3200\text{ mm}$, khoảng cách trục bánh xe $K_k = 3900\text{ mm}$. Xác định $D_{\max}, D_{\min}$ qua đường ảnh hưởng phản lực dầm cầu trục; lực hãm ngang $T_{\max}$ đặt tại cao trình dầm hãm cách vai cột $0{,}7\text{ m}$.
  • Tải trọng gió: Áp dụng TCVN 2737:2023 cho chiều cao $h = 12{,}3\text{ m}$, địa hình C ($k(Z_e) = 0{,}76$), tính toán áp lực gió đẩy và gió hút cho gió thổi ngang trái ($GXT$) và gió thổi ngang phải ($GXP$).
                     / \
   Đoạn xà đổi td   /   \   Đoạn xà không đổi td (8m)
  +--------------+        +--------------+
  |              \        /              |
  |               \      /               |
  | (Cột I không đổi)                    | (Cột I không đổi)
  |                                      |
  |=== Vai cột (H1 = 9.2m, Q = 10T) =====|
  |                                      |
  |                                      |
  | (H3 = 0.5m)                          |
  === Ngàm móng (-0.5m) ==================

6. Xác định và tổ hợp nội lực

  • Mô hình khung được phân tích tự động trên SAP2000.
  • Kiểm tra chuyển vị đỉnh cột: Chuyển vị ngang đỉnh cột trái do tổ hợp tĩnh tải và gió tiêu chuẩn được trích xuất từ SAP2000 thỏa mãn điều kiện chuyển vị giới hạn: $$\Delta \le [\Delta] = \frac{H}{300}$$
  • Tổ hợp nội lực: Tiến hành lập bảng tổ hợp nội lực cơ bản 1 và cơ bản 2 tại các mặt cắt nguy hiểm (chân cột, tiết diện dưới vai cột, tiết diện trên vai cột, đầu cột, đầu xà, chỗ đổi tiết diện xà, và đỉnh xà).

7. Thiết kế và kiểm tra tiết diện cột

  • Xác định chiều dài tính toán: Tính toán hệ số chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung $\mu_x$ theo TCVN 5575:2012 cho khung liên kết ngàm chân cột và xà ngàm cột. Chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng $l_{0y}$ lấy bằng khoảng cách giữa các điểm giằng dọc ($l_{0y} = 4{,}0\text{ m}$).
  • Kiểm tra tiết diện cột chữ I:
    • Kiểm tra bền: Căn cứ độ lệch tâm tính đổi $m_{td}$, tiết diện không cần kiểm tra bền hoặc thỏa mãn điều kiện ứng suất.
    • Kiểm tra ổn định tổng thể: Kiểm tra ổn định trong mặt phẳng uốn (trục $x$) theo hệ số $\varphi_e$ và ngoài mặt phẳng uốn (trục $y$) theo hệ số $c \cdot \varphi_y$. Kết quả đều đạt yêu cầu (Thỏa).
    • Kiểm tra ổn định cục bộ: Bản cánh cột thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ ($b_0/t_f \le [b_0/t_f]$). Bản bụng cột không thỏa mãn điều kiện độ mảnh giới hạn ($h_0/t_w > [h_0/t_w]$) dẫn đến mất ổn định cục bộ. Tác giả áp dụng giải pháp tính toán diện tích tiết diện làm việc hiệu quả của bản bụng tiếp giáp với 2 cánh mà không cần bố trí sườn tăng cường ngang.

8. Thiết kế và kiểm tra xà ngang

  • Đoạn xà thay đổi tiết diện (dài 4m): Kiểm tra tiết diện đầu xà chịu cặp nội lực nguy hiểm nhất ($M_{\max}, N_{\text{tư}}$). Kiểm tra độ bền uốn nén kết hợp, kiểm tra ứng suất tương đương $\sigma_{td} = \sqrt{\sigma^2 + 3\tau^2} \le 1{,}15f$ tại vị trí tiếp giáp bản cánh và bản bụng. Kiểm tra ổn định cục bộ bản cánh và bản bụng (kết quả không bị mất ổn định, không cần đặt sườn dọc và sườn ngang).
  • Đoạn xà không đổi tiết diện (dài 8m): Kiểm tra tiết diện tại vị trí chuyển tiếp và giữa nhịp; kiểm tra độ lệch tâm tương đối $m_x$, ứng suất pháp và ứng suất tương đương đạt yêu cầu chịu lực.

9. Thiết kế các chi tiết liên kết

Đồ án tính toán chi tiết cấu tạo các bộ phận liên kết:

  • Dầm vai: Xác định kích thước hình học bản cánh, bản bụng dầm vai theo điều kiện ép cục bộ do phản lực bánh xe cầu trục; tính toán chiều cao dầm vai tại đầu ngàm và vị trí trọng tâm ray; kiểm tra khả năng chịu lực của đường hàn góc liên kết dầm vai vào bản cánh cột.
  • Chân cột và bản đế: Tính toán diện tích bản đế chịu nén, tính chiều dày bản đế dựa trên momen uốn cục bộ của từng ô bản (ô bản loại 1, loại 2, loại 3); tính toán dầm đế, sườn tăng cường (sườn B), đường hàn chân cột và tính toán đường kính bu lông neo chịu kéo do momen lật.
  • Nút liên kết cột - xà và nút đỉnh xà: Thiết kế mối nối mặt bích truyền momen uốn và lực cắt, bố trí các bu lông tinh cường độ cao chịu kéo và kiểm tra đường hàn liên kết xà vào bản bích.

Kết quả và giải pháp kỹ thuật

Đồ án đã thiết kế hoàn chỉnh hệ kết cấu khung thép nhà xưởng công nghiệp một nhịp đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật:

Cấu kiện / Chi tiết Thông số thiết kế chính Kết quả kiểm tra kỹ thuật Đánh giá
Xà gồ mái Thép hình $[12$, bước $1{,}45\text{ m}$ Ứng suất uốn $\sigma < f$, độ võng $f < [f]$, chịu gió bốc $k(Z_e)=0{,}76$ Thỏa mãn
Chuyển vị đỉnh cột Khung $L=24\text{ m}, H=12{,}1\text{ m}$ Chuyển vị ngang do TT + Gió tiêu chuẩn $\le H/300$ Thỏa mãn
Cột thép Tiết diện chữ I không đổi Ổn định tổng thể trục $x$ và trục $y$ thỏa mãn Thỏa mãn
Bản bụng cột Độ mảnh bản bụng $h_0/t_w > [h_0/t_w]$ Bản bụng mất ổn định cục bộ; sử dụng phần bản bụng hiệu quả tiếp giáp cánh, không cần đặt sườn ngang Đạt yêu cầu
Xà ngang Tiết diện I thay đổi (4m) và không đổi (8m) Độ bền, ứng suất tương đương $\sigma_{td} \le 1{,}15f$, ổn định cục bộ cánh/bụng Thỏa mãn
Chi tiết liên kết Dầm vai, chân cột, bản đế, bulông neo, mặt bích Khả năng chịu lực của bu lông, đường hàn và bản đế Đạt yêu cầu

Giải pháp kỹ thuật tiêu biểu trong đồ án:

  • Tối ưu hóa trọng lượng kết cấu xà ngang bằng phương án tiết diện nêm thay đổi (vút nách 4m tại vị trí có momen uốn âm lớn ở góc khung, giảm chiều cao tiết diện ở đoạn giữa nhịp 8m nơi momen uốn giảm).
  • Xử lý hiện tượng mất ổn định cục bộ bản bụng cột bằng phương pháp xác định diện tích bản bụng hiệu quả theo tiêu chuẩn TCVN 5575:2012, giúp tiết kiệm chi phí gia công hàn sườn ngang tăng cường mà vẫn đảm bảo an toàn chịu lực.

Hạn chế và phạm vi ứng dụng

Nội dung đồ án phản ánh đầy đủ khối lượng tính toán môn học kết cấu thép công nghiệp, tuy nhiên còn một số phạm vi giới hạn kỹ thuật được ghi nhận:

  • Phạm vi mô hình hóa: Phân tích nội lực thực hiện trên mô hình khung phẳng 2D đàn hồi tuyến tính độc lập trên SAP2000, chưa xét đến sự làm việc đồng thời của toàn bộ không gian 3D gồm hệ giằng và các khung lân cận.
  • Giới hạn tải trọng: Đồ án thiết kế riêng cho công trình quy mô một nhịp $24\text{ m}$, 2 cầu trục sức nâng trung bình $10\text{ T}$ móc mềm, chưa mở rộng cho các nhà xưởng có nhiều nhịp hoặc sức trục nặng ($Q \ge 30\text{ T}$) yêu cầu cột phân chia nhánh.
  • Điều kiện địa chất - móng: Móng được giả thiết ngàm cứng lý tưởng tại cao trình $-0{,}5\text{ m}$, chưa kể đến ảnh hưởng của độ lún lệch hay chuyển vị xoay của đất nền đến nội lực khung ngang.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn dữ liệu tham khảo chuyên ngành phù hợp cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp khi thực hiện đồ án môn học Kết cấu thép 2 (Kết cấu nhà thép) hoặc đồ án tốt nghiệp kỹ sư xây dựng.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu thép tiền chế trong việc tra cứu quy trình tính toán tải trọng gió theo tiêu chuẩn mới TCVN 2737:2023 kết hợp với tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép TCVN 5575:2012.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo cao: quy trình lập đường ảnh hưởng xác định tổ hợp bất lợi của 2 cầu trục hoạt động đồng thời, kỹ thuật mô hình hóa xà gồ chịu gió bốc, phương pháp kiểm tra tiết diện cột có bản bụng mất ổn định cục bộ và tính toán chi tiết bản đế chân cột ngàm.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án áp dụng giải pháp tiết diện nào cho cột và xà ngang của khung?
Tác giả lựa chọn tiết diện cột thép chữ I không đổi ($I_1$) suốt chiều cao cột. Đối với xà ngang nhịp $24\text{ m}$, tác giả sử dụng giải pháp xà có tiết diện thay đổi hình nêm: đoạn đầu xà dài $4\text{ m}$ có tiết diện vút thay đổi từ $I_1$ xuống $I_2$ (tỷ số $I_1/I_2 = 2$), đoạn giữa xà dài $8\text{ m}$ có tiết diện không đổi ($I_2$).

2. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để tính toán tải trọng gió và tải trọng sửa chữa mái?
Tải trọng gió được xác định theo tiêu chuẩn mới TCVN 2737:2023 với áp lực gió cơ bản $W_0 = 125\text{ daN/m}^2$, dạng địa hình C và hệ số độ cao $k(Z_e) = 0{,}76$. Hoạt tải thi công, sửa chữa mái tôn nhẹ được lấy bằng $0{,}3\text{ kN/m}^2$ với hệ số độ tin cậy $n = 1{,}3$ theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995.

3. Tác giả xử lý như thế nào khi bản bụng cột không thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ?
Khi kiểm tra ổn định cục bộ bản bụng cột chữ I, tỷ số $h_0/t_w$ vượt quá độ mảnh giới hạn quy định trong TCVN 5575:2012. Tác giả không bố trí sườn gia cường ngang mà áp dụng quy phạm: coi như chỉ có phần bản bụng tiếp giáp với 2 bản cánh tham gia chịu lực, tính lại diện tích tiết diện làm việc hữu hiệu của cột và kiểm tra lại điều kiện ổn định tổng thể.

4. Khung ngang được liên kết với móng và các bộ phận khác theo dạng liên kết gì?
Liên kết giữa chân cột thép với móng bê tông là liên kết ngàm đặt tại cao trình $-0{,}5\text{ m}$. Liên kết giữa vai cột với dầm cầu trục là liên kết tựa chịu áp lực đứng; liên kết giữa cột với xà ngang tại góc khung và liên kết nối xà tại đỉnh mái đều là liên kết cứng sử dụng mặt bích và bu lông tinh chịu lực.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp nhẹ một tầng một nhịp" của sinh viên Nguyễn Minh Tâm đã trình bày một quy trình tính toán kỹ thuật hoàn chỉnh và mạch lạc cho kết cấu nhà thép tiền chế nhịp $24\text{ m}$ có cầu trục $10\text{ T}$. Bản thuyết minh thể hiện sự kết hợp chặt chẽ giữa việc ứng dụng phần mềm SAP2000 với việc tuân thủ các tiêu chuẩn xây dựng TCVN 5575:2012 và TCVN 2737:2023. Toàn bộ các cấu kiện cột, xà, xà gồ, hệ giằng và chi tiết liên kết nút khung đều được kiểm tra đầy đủ về độ bền, độ cứng và ổn định, tạo nên tài liệu học thuật có giá trị ứng dụng thực tiễn cao trong đào tạo kỹ thuật công trình.