Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong chương trình đào tạo kỹ sư ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp (XDDD&CN) tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, đồ án môn học Kết cấu thép 2 là học phần thực hành mang tính tổng hợp cao. Mục tiêu của đồ án là trang bị và củng cố cho sinh viên kỹ năng tính toán, thiết kế hệ kết cấu thép chịu lực cho các công trình công nghiệp thực tế. Đồ án được thực hiện bởi Nhóm 11 (Nhóm học phần Nh13.67, khóa học kỳ 8, tháng 5 năm 2017) dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Quang Hưng.

Bối cảnh kỹ thuật của đề tài xuất phát từ nhu cầu thiết kế hệ khung chịu lực bằng thép cho nhà xưởng công nghiệp một tầng, một nhịp, vận hành cầu trục phục vụ sản xuất. Đây là loại hình kết cấu phổ biến trong xây dựng công nghiệp nhờ khả năng vượt nhịp lớn, thời gian thi công nhanh và khả năng chịu tải trọng động phức tạp.

Nhiệm vụ nghiên cứu và thiết kế của đồ án được phân định cụ thể theo hai phần chính:

  1. Thuyết minh tính toán:
    • Thành lập sơ đồ kết cấu: Xác định kích thước hình học của khung ngang, lập mặt bằng lưới cột, bố trí hệ giằng mái và hệ giằng cột.
    • Xác định tải trọng tác dụng lên khung ngang: Tính toán tĩnh tải bản thân, hoạt tải sửa chữa mái, tải trọng gió và hoạt tải cầu trục.
    • Thiết kế xà gồ mái.
    • Tính toán nội lực khung ngang: Lập mô hình cơ học, xác định các trường hợp tải trọng riêng biệt, xuất biểu đồ mômen uốn ($M$), lực dọc ($N$), lực cắt ($V$), lập bảng thống kê và bảng tổ hợp nội lực cho các tiết diện đặc trưng của cột và xà.
    • Kiểm tra khả năng chịu lực: Kiểm tra tiết diện cột và xà mái theo các điều kiện bền, ổn định tổng thể, ổn định cục bộ và độ võng/chuyển vị ngang đỉnh cột.
    • Thiết kế chi tiết cấu tạo các nút liên kết: Chân cột ngàm với móng, vai cột đỡ dầm cầu trục, nút nách khung liên kết xà với cột, mối nối đỉnh xà và mối nối xà giữa nhịp.
  2. Bản vẽ thể hiện:
    • Thể hiện trên 01 bản vẽ kỹ thuật khổ A1 bao gồm sơ đồ khung ngang, mặt bằng hệ giằng mái, hệ giằng cột, các hình chiếu và mặt cắt cấu tạo chi tiết của cột, xà, các nút liên kết cùng bảng thống kê khối lượng vật liệu và ghi chú thi công.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Khung ngang chịu lực chính bằng thép dạng thanh đặc tiết diện chữ I tổ hợp hàn, làm việc theo sơ đồ khung phẳng một tầng, một nhịp.
  • Phạm vi không gian: Công trình nhà công nghiệp có nhịp khung $L = 33\text{ m}$, bước cột $B = 8\text{ m}$, tổng chiều dài nhà gồm 26 bước cột tương đương $26 \times 8 = 208\text{ m}$. Công trình đặt trong khu vực gió áp lực vùng IIB, dạng địa hình B. Nhà xưởng trang bị 02 cầu trục 2 dầm kiểu ZLK sức nâng $Q = 125\text{ kN}$ ($12,5\text{ tấn}$), chế độ làm việc trung bình, cao trình đỉnh ray đặt ở mức $+5,1\text{ m}$.
  • Phạm vi thời gian và học thuật: Đồ án hoàn thành vào tháng 5 năm 2017, vận dụng hệ thống tiêu chuẩn thiết kế xây dựng hiện hành tại Việt Nam ở thời điểm thực hiện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán

Nghiên cứu áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật xây dựng quốc gia của Việt Nam kết hợp với các lý thuyết giải tích cơ học kết cấu:

  • TCVN 2737-1995: Tiêu chuẩn tải trọng và tác động, sử dụng để xác định áp lực gió tiêu chuẩn ($W_0 = 95\text{ daN/m}^2$ cho vùng IIB), các hệ số độ tin cậy của tải trọng, hệ số khí động $C_e$ trên các bề mặt bao che và hoạt tải sửa chữa phân bố trên mái tôn ($p^{tc} = 30\text{ daN/m}^2$).
  • TCXDVN 5575:2012 (hay TCVN 5575-2012): Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép, cung cấp các công thức kiểm tra trạng thái giới hạn thứ nhất (cường độ chịu lực, ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng uốn, ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng đối với cấu kiện chịu nén - uốn lệch tâm) và trạng thái giới hạn thứ hai (độ võng, chuyển vị ngang đỉnh cột).
  • Lý thuyết phần tử hữu hạn và cơ học kết cấu: Phân tích hệ thanh đàn hồi phẳng chịu tải trọng tĩnh và tải trọng di động thông qua phương pháp đường ảnh hưởng để xác định áp lực thẳng đứng lớn nhất/nhỏ nhất ($D_{\max}, D_{\min}$) và lực hãm ngang ($T$) của cầu trục.

Phương pháp nghiên cứu thực tế đã triển khai:

  • Phương pháp phân tích giải tích: Tính toán kích thước hình học sơ bộ dựa trên các biểu thức kinh nghiệm về độ cứng kết cấu thép; xác định tung độ đường ảnh hưởng của hệ 4 bánh xe cầu trục để tìm tổ hợp bất lợi nhất tác dụng lên vai cột.
  • Phương pháp mô hình hóa số: Xây dựng mô hình khung phẳng trên phần mềm phân tích kết cấu chuyên dụng SAP2000, gán các đặc trưng hình học tiết diện thực tế, thiết lập liên kết ngàm tại chân cột và liên kết cứng tại nách khung, sau đó giải bài toán nội lực dưới từng trường hợp tải trọng riêng biệt.
  • Phương pháp tổ hợp nội lực: Lập bảng tổ hợp tải trọng cơ bản (tĩnh tải kết hợp với 1 hoạt tải hoặc nhiều hoạt tải có xét hệ số giảm tải $0,9$) nhằm xác định các cặp nội lực nguy hiểm nhất: $M_{\max}$ và $N, V$ tương ứng; $M_{\min}$ và $N, V$ tương ứng; $N_{\max}$ và $M, V$ tương ứng.

Nguồn dữ liệu sử dụng:

  • Số liệu đầu vào từ đề bài đồ án do Khoa XDDD&CN phân công.
  • Catalog thông số kỹ thuật thiết bị cầu trục 2 dầm kiểu ZLK tương ứng sức nâng 125 kN: nhịp cầu trục $S = 30,5\text{ m}$, khoảng cách trục bánh xe $R = 4,8\text{ m}$, bề rộng cầu trục $B_{ct} = 5,6\text{ m}$, trọng lượng xe con $G_{xecon} = 4,5\text{ tấn}$, áp lực bánh xe tiêu chuẩn lớn nhất $P_{c\max} = 10,58\text{ tấn}$ và nhỏ nhất $P_{c\min} = 3,51\text{ tấn}$.
  • Bảng tra đặc tính cơ lý vật liệu thép CCT34: cường độ chịu kéo/nén tính toán $f = 2100\text{ daN/cm}^2$ (với thép dày $\le 20\text{ mm}$), môđun đàn hồi $E = 2 \times 10^6\text{ daN/cm}^2$, khối lượng riêng $\rho = 7850\text{ daN/m}^3$; que hàn loại N46 ($d = 3 \div 5\text{ mm}$); bê tông móng cấp độ bền B15/B20 có cường độ chịu nén tính toán $R_b = 115\text{ daN/cm}^2$.

Nội dung chính theo từng chương

Phần I: Số liệu và nhiệm vụ thiết kế

Phần mở đầu xác lập toàn bộ các tham số kỹ thuật đầu vào phục vụ cho việc tính toán khung nhà xưởng. Các thông số được hệ thống hóa như sau:

Thông số thiết kế Giá trị quy định Đơn vị tính
Nhịp khung ngang ($L$) 33,0 m
Bước cột ($B$) 8,0 m
Chiều dài toàn bộ nhà xưởng 208,0 (26 bước) m
Sức nâng cầu trục ($Q$) 125 (12,5 tấn) kN
Số lượng cầu trục làm việc trong xưởng 2 (chế độ trung bình) Chiếc
Cao trình đỉnh ray ($H_1$) +5,1 m
Chiều cao dầm cầu trục ($h_{dct}$) 0,8 m
Chiều cao ray ($h_r$) 0,12 m
Phân vùng gió và dạng địa hình Vùng IIB, Địa hình B -
Áp lực gió tiêu chuẩn ($W_0$) 95,0 daN/m²
Kích thước cửa trời (Rộng $\times$ Cao) 2,0 / 4,0 $\times$ 1,35 / 2,0 m
Mác thép kết cấu CCT34 -
Bê tông móng B15 / B20 -

Kết cấu bao che của công trình được quy định đồng bộ: phía dưới xây tường gạch cao $1,5\text{ m}$ để bảo vệ chân công trình, phía trên thưng bằng vách tôn 2 lớp dày $0,47\text{ mm}$ có kẹp lớp bông thủy tinh cách nhiệt ở giữa; mái dốc lợp tôn múi dày $0,47\text{ mm}$ liên kết trên hệ xà gồ.

Phần II: Tính toán thiết kế

Nội dung phần này trình bày chi tiết toàn bộ chu trình tính toán cơ học và thiết kế cấu kiện kết cấu thép:

1. Sơ đồ kết cấu khung và chọn sơ bộ kích thước

Khung ngang được chọn có cột tiết diện chữ I đặc đối xứng không đổi, liên kết chân cột dạng ngàm chặt vào móng. Xà ngang mái có độ dốc $\alpha = 5,71^\circ$ (tương đương độ dốc $i = 10%$). Do quy luật phân bố nội lực trong khung ngang có mômen uốn tại nách khung rất lớn và giảm dần về phía đỉnh xà, xà ngang được thiết kế dạng tiết diện thay đổi: đoạn vát mở rộng tại nách xà có chiều dài bằng $(0,35 \div 0,4)$ chiều dài nửa xà, đoạn còn lại về phía đỉnh mái giữ tiết diện chữ I không đổi.

Kích thước theo phương đứng của cột:

  • Chiều cao cột dưới (từ mặt móng đến mặt trên vai cột): $H_d = H_1 - (h_{dct} + h_r) + h_{ch} = 5,1 - (0,8 + 0,12) + 1,0 = 5,18\text{ m}$ (với chiều sâu chôn móng $h_{ch} = 1,0\text{ m}$).
  • Chiều cao cột trên (từ mặt vai cột đến mép dưới xà nách): $H_{tr} = (h_{dct} + h_r) + K_1 + 0,5 = (0,8 + 0,12) + 1,6 + 0,5 = 3,02\text{ m}$ (với $K_1 = 1,6\text{ m}$ là khoảng cách từ đỉnh ray đến điểm cao nhất của xe con tra từ catalog; khoảng an toàn lấy bằng $0,5\text{ m}$).
  • Toàn bộ chiều cao cột: $H = H_d + H_{tr} = 5,18 + 3,02 = 8,2\text{ m}$.

Kích thước theo phương ngang và sơ bộ tiết diện cấu kiện:

  • Khoảng cách an toàn từ ray đến mép trong cột: tính toán đạt $Z = 500\text{ mm} > Z_{\min} = 275\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện vận hành an toàn cho xe cầu trục.
  • Kích thước dầm vai cột: độ vươn dầm vai từ mép cột $L_v = 0,8\text{ m}$, chiều cao tiết diện dầm vai tại điểm đặt tải $h = 300\text{ mm}$, tại mép cột $h_v = 450\text{ mm}$, bề rộng cánh $b_f = 280\text{ mm}$, chiều dày bụng $t_w = 12\text{ mm}$, chiều dày cánh $t_f = 14\text{ mm}$.
Cấu kiện Chiều cao $h$ (mm) Bề rộng cánh $b_f$ (mm) Chiều dày cánh $t_f$ (mm) Chiều dày bụng $t_w$ (mm) Diện tích $A$ (cm²) Mômen quán tính $I_x$ (cm⁴)
Cột khung 600 300 14 12 152,64 90.842
Xà nách khung (lớn) 850 300 14 12 182,64 202.323
Xà mái đoạn không đổi 600 300 14 12 152,64 90.842
Cột cửa trời 160 120 5 5 - -

2. Xác định tải trọng tác dụng lên khung

  • Tĩnh tải: Phân bố tải trọng từ mái gồm tôn múi, bông thủy tinh, xà gồ và hệ giằng truyền lên xà ngang với tải trọng tính toán $q^{tt} = 167,2\text{ daN/m}$ (tương ứng $0,167\text{ T/m}$); tĩnh tải thưng tôn và xà gồ tường phân bố dọc thân cột là $0,187\text{ T/m}$; trọng lượng bản thân dầm cầu trục là $G_{dct} = 1920\text{ daN}$.
  • Hoạt tải sửa chữa mái: Hoạt tải tiêu chuẩn $p^{tc} = 30\text{ daN/m}^2$, với hệ số vượt tải $n_p = 1,3$, bước khung $B = 8\text{ m}$, quy đổi phân bố đều trên chiều dài xà dốc theo phương ngang.
  • Tải trọng gió: Tra theo TCVN 2737-1995 với áp lực gió $W_0 = 95\text{ daN/m}^2$, hệ số tin cậy $n = 1,2$, hệ số gia tăng theo chiều cao dạng địa hình B ($k = 0,952 \div 1,016$). Các hệ số khí động trên các phân đoạn bề mặt: gió đẩy mặt đón gió $C_e = +0,8$, gió hút mái và vách khuất gió dao động $C_e = -0,29 \div -0,6$. Giá trị tải trọng gió tác dụng lên các điểm mặt cột và xà nằm trong dải $-0,555\text{ T/m}$ đến $+0,695\text{ T/m}$.
  • Hoạt tải cầu trục: Áp lực bánh xe lớn nhất $P_{c\max} = 10,58\text{ tấn}$, nhỏ nhất $P_{c\min} = 3,51\text{ tấn}$. Xếp 4 bánh xe trên đường ảnh hưởng dầm đơn giản có tổng tung độ $\sum y_i = 2,6$, hệ số tin cậy $n = 1,2$, hệ số tổ hợp 2 cầu trục $n_c = 0,85$.
    • Áp lực đứng tính toán lớn nhất lên vai cột: $D_{\max} = 1,2 \times 0,85 \times 10,58 \times 2,6 = 28,058\text{ tấn}$.
    • Áp lực đứng tính toán nhỏ nhất lên vai cột: $D_{\min} = 1,2 \times 0,85 \times 3,51 \times 2,6 = 9,31\text{ tấn}$.
    • Lực hãm ngang tính toán truyền vào cột qua dầm hãm: $T = 1,127\text{ tấn}$ (xác định từ lực hãm tiêu chuẩn $T_{1c} = 0,05(Q + G_{xecon})/n_0$).

3. Mô hình hóa và phân tích nội lực

Sơ đồ tính toán là hệ khung phẳng đàn hồi được dựng trong phần mềm SAP2000. Trục xà tại đoạn tiết diện thay đổi được mô hình bằng đoạn gãy khúc nối tâm của tiết diện nách xà với tâm của tiết diện đoạn không đổi. Hệ thống được giải với các trường hợp chất tải độc lập: tĩnh tải, hoạt tải sửa chữa mái (chất nửa trái, nửa phải, toàn bộ), áp lực đứng cầu trục ($D_{\max}$ đặt cột trái, $D_{\max}$ đặt cột phải), lực hãm ngang ($T$ tác dụng sang trái, sang phải), và tải trọng gió (thổi từ trái qua).

Từ kết quả phân tích, đồ án trích xuất các tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất tại các tiết diện chân cột (A), đỉnh cột (B), trên/dưới vai cột (Ct, Cd), nách khung và đỉnh xà:

  • Tiết diện chân cột (A):
    • Tổ hợp 1 ($M^+_{\max}$): $M = 49,153\text{ Tm}$; $N = -10,285\text{ T}$; $V = -9,016\text{ T}$.
    • Tổ hợp 2 ($N_{\max}$ nén): $M = -27,460\text{ Tm}$; $N = -39,290\text{ T}$; $V = -9,840\text{ T}$.
    • Tổ hợp 3 ($M^-_{\max}$): $M = -39,936\text{ Tm}$; $N = -15,664\text{ T}$; $V = 10,265\text{ T}$.
  • Tiết diện nách khung xà: $M = -49153\text{ daN.m}$; $N = -9994\text{ daN}$; $V = -9337\text{ daN}$.

4. Kiểm tra tiết diện cột và xà

  • Kiểm tra tiết diện cột: Cột chịu uốn nén lệch tâm.
    • Điều kiện độ mảnh: Chiều dài tính toán trong mặt phẳng uốn $l_x = \mu H = 1,302 \times 8,2 = 10,676\text{ m}$. Độ mảnh tính toán lớn nhất $\lambda_x = 43,764 < [\lambda] = 150$, đảm bảo khống chế độ mảnh.
    • Cường độ chịu uốn nén lệch tâm: Kiểm tra với cả 3 tổ hợp nội lực nguy hiểm, ứng suất lớn nhất đều nhỏ hơn cường độ tính toán của thép $f = 2100\text{ daN/cm}^2$.
    • Ổn định tổng thể: Đạt yêu cầu ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung (hệ số uốn dọc quy đổi $\phi_e$ và $\phi_b$) và ngoài mặt phẳng khung (với hệ số giảm ứng suất uốn dọc $\phi_y$ và hệ số ảnh hưởng mômen $c$).
    • Ổn định cục bộ: Độ mảnh quy ước của bản cánh $b_0 / t_f = 10,28 < [\lambda_f] = 17,45$; bản bụng có chiều cao $h_w = 572\text{ mm}$, chiều dày $t_w = 12\text{ mm}$, tỷ số $h_w / t_w = 47,67$ thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ mà không cần phải bố trí thêm các sườn sườn tăng cường dọc hay ngang.
  • Kiểm tra tiết diện xà:
    • Tiết diện nách xà: Độ mảnh $\lambda_x = 99,15 < [\lambda] = 150$. Kiểm tra bền tại thớ mép cánh chịu kéo và thớ mép cánh chịu nén thỏa mãn điều kiện cường độ. Ổn định tổng thể và ổn định cục bộ bản cánh, bản bụng đều đạt yêu cầu.
    • Tiết diện xà đoạn không đổi ($h = 600\text{ mm}$): Chịu tổ hợp $M = -12500\text{ daNm}, N = -4040\text{ daN}, V = -753\text{ daN}$, đảm bảo an toàn tuyệt đối về cường độ và ổn định.
  • Kiểm tra chuyển vị ngang đỉnh cột: Chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh cột $\Delta$ dưới tác dụng của tổ hợp tiêu chuẩn (tĩnh tải + gió + cầu trục) được kiểm tra theo TCXDVN 5575:2012, kết quả đều nhỏ hơn giới hạn cho phép $[\Delta] = H / 300$, đảm bảo độ cứng uốn của toàn bộ khung ngang.

5. Thiết kế các chi tiết liên kết

  • Chân cột ngàm với móng:
    • Kích thước bản đế sơ bộ dài $1000\text{ mm}$, rộng $600\text{ mm}$, chiều dày xác định từ điều kiện chịu uốn cục bộ dưới phản lực ứng suất nén bê tông móng mác B20 ($R_b = 115\text{ daN/cm}^2$): tính toán ra bề dày yêu cầu và chọn chiều dày bản đế $t_{bđ} = 5,5\text{ cm}$.
    • Bu lông neo: Bố trí 8 bu lông neo chân cột; tổng lực kéo nhổ lớn nhất do mômen lật gây ra yêu cầu chọn bu lông đường kính $\phi 36$ (diện tích chịu lực $A_{bl} = 8,16\text{ cm}^2$).
    • Đường hàn liên kết thân cột vào bản đế: Sử dụng đường hàn góc quanh chu vi, chiều cao đường hàn chọn $h_f = 9\text{ mm}$.
  • Nút liên kết xà vào cột (nách khung):
    • Dạng liên kết mặt bích đặt nghiêng kết hợp bu lông cường độ cao cấp bền 8.8 (giới hạn bền $f_{ub} = 800\text{ N/mm}^2$). Bố trí 14 bu lông cường độ cao phân bố dọc theo chiều cao mặt bích.
    • Lực kéo lớn nhất tại hàng bu lông ngoài cùng $N_{b\max} = 12081,7\text{ daN} < [N]{tb} = 22400\text{ daN}$; lực cắt phân bố lên mỗi bu lông $N{vb} = 901,55\text{ daN} < [N]_{vb} = 1512\text{ daN}$ (theo điều kiện ma sát trượt). Mặt bích có chiều dày chọn $t = 3,0\text{ cm}$, đường hàn góc liên kết xà vào mặt bích chọn $h_f = 6\text{ mm}$.
  • Nút liên kết đỉnh xà và nối xà:
    • Liên kết đỉnh mái: Bố trí 12 bu lông $\phi 20$ cấp bền 8.8 liên kết qua mặt bích dày $3,0\text{ cm}$. Lực kéo lớn nhất tại bu lông chịu kéo lớn nhất đạt yêu cầu chịu kéo đứt và lực cắt truyền qua ma sát mặt bích $N_{vb} = 210,93\text{ daN} < [N]_{vb} = 1034,35\text{ daN}$. Chiều cao đường hàn liên kết góc bản cánh và bản bụng xà với mặt bích chọn $h_f = 6\text{ mm}$.
    • Nối xà giữa nhịp: Đặt tại vị trí chuyển đổi giữa tiết diện vát sang tiết diện không đổi; do cùng hình thức kích thước tiết diện $h = 600\text{ mm}$ và nội lực nhỏ hơn tiết diện đỉnh xà, cấu tạo mối nối được lấy tương tự như nút đỉnh xà.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp khẩu độ lớn ($L = 33\text{ m}$) có cầu trục tải trọng trung bình ($Q = 125\text{ kN}$). Kết quả tính toán định lượng cho thấy:

  • Thiết lập thành công kích thước tiết diện khung hợp lý: Cột chữ I tổ hợp hàn $600 \times 300 \times 12 \times 14\text{ mm}$; xà ngang tiết diện biến thiên chữ I tổ hợp hàn với chiều cao tại nách $h = 850\text{ mm}$ vuốt vát về đoạn giữa nhịp $h = 600\text{ mm}$. Các tiết diện này đều tối ưu hóa khả năng làm việc của vật liệu thép CCT34, thỏa mãn đầy đủ các điều kiện bền ứng suất pháp, ứng suất tiếp, ứng suất tương đương, ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng uốn, cũng như ổn định cục bộ bản cánh và bản bụng.
  • Ổn định biến dạng công trình: Chuyển vị ngang tại đỉnh cột $\Delta$ dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn bất lợi nhất nằm trong giới hạn cho phép của TCXDVN 5575:2012, bảo đảm an toàn cho đường ray cầu trục vận hành không bị kẹt hay nghiêng lệch.
  • Giải pháp cấu tạo nút liên kết: Đề xuất và tính toán chi tiết liên kết chân cột chịu mômen lớn liên kết ngàm vào móng bằng bản đế dày $55\text{ mm}$ cùng 8 bu lông neo $\phi 36$; hệ liên kết nút nách khung và đỉnh mái bằng bu lông cường độ cao cấp bền 8.8 kết hợp mặt bích chịu uốn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc gia công sẵn trong nhà xưởng và lắp ghép bu lông nhanh chóng tại công trường mà không cần hàn lắp ráp trên cao.
  • Đóng góp tự nêu của nhóm thực hiện: Hoàn thành trọn vẹn quy trình phân tích kết cấu từ mô hình cơ học lý thuyết sang mô hình tính toán số trên SAP2000; vận dụng thành công phương pháp làm việc nhóm để giải quyết một khối lượng tính toán lớn; làm chủ quy trình kiểm tra các trạng thái giới hạn phức tạp của cấu kiện thép thành mỏng chịu lực tổ hợp theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Phạm vi mô hình hóa: Khung ngang chịu lực mới chỉ được tính toán dưới dạng sơ đồ khung phẳng 2D độc lập. Mô hình này chưa phản ánh đầy đủ sự phân phối tải trọng không gian 3D giữa các khung lân cận thông qua hệ giằng mái, hệ giằng cột và hệ xà gồ tường.
  • Phạm vi thiết kế phần móng: Đồ án mới chỉ giải quyết đến phản lực nén cục bộ mặt móng bê tông để xác định kích thước bản đế và lực nhổ bu lông neo; phần đài móng, cọc hoặc móng đơn bê tông cốt thép chưa được tính toán chi tiết cốt thép.
  • Các cấu kiện phụ trợ: Nội dung thiết kế cột sườn tường đầu hồi, chi tiết liên kết hệ thanh giằng cột và giằng cửa trời mới được thể hiện trên phương diện sơ đồ bố trí và nguyên lý cấu tạo, chưa có bảng tính toán giải số chi tiết trong phần thuyết minh.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Xây dựng mô hình không gian tổng thể 3D trên phần mềm SAP2000 hoặc các phần mềm mô hình thông tin công trình (BIM) như Tekla Structures, Revit để đánh giá chính xác độ cứng không gian của toàn bộ nhà xưởng gồm cả hệ bao che và hệ giằng.
  • Mở rộng phạm vi thiết kế đồng bộ cho toàn bộ hệ kết cấu móng bê tông cốt thép chịu tải trọng lệch tâm lớn từ khung thép truyền xuống.
  • Khảo sát các giải pháp tối ưu hóa tiết diện tự động bằng các thuật toán tối ưu nhằm giảm thêm khối lượng thép tiêu hao trên một mét vuông mặt bằng nhà xưởng.

Giá trị tham khảo

Bản thuyết minh đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Kỹ thuật Công trình Xây dựng trong quá trình làm đồ án môn học Kết cấu thép 2 và thực hiện đồ án tốt nghiệp kỹ sư về chủ đề nhà công nghiệp một tầng bằng thép.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu: Tham khảo phương pháp xác định tải trọng gió theo tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 kết hợp tải trọng cầu trục di động theo catalog thiết bị chuẩn ZLK; phương pháp mô hình hóa xà có tiết diện thay đổi trong SAP2000.
  • Các phần đáng tham khảo nhất trong tài liệu:
    • Bảng tổng hợp tải trọng và quy trình tính toán lực xô ngang, áp lực đứng của cầu trục lên dầm vai cột.
    • Trình tự các bước kiểm tra ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng uốn và ổn định cục bộ bản bụng xà/cột theo TCXDVN 5575:2012.
    • Công thức và sơ đồ tính toán bản đế chân cột ngàm dày $55\text{ mm}$ chịu nén uốn lệch tâm lớn và chi tiết liên kết nách khung dùng bu lông cường độ cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Sơ đồ hình học và kích thước tiết diện cơ bản của khung ngang trong đồ án được xác định như thế nào?
Khung ngang có nhịp $L = 33\text{ m}$, chiều cao tổng thể cột $H = 8,2\text{ m}$ (gồm cột dưới $H_d = 5,18\text{ m}$ và cột trên $H_{tr} = 3,02\text{ m}$, chôn móng sâu $1,0\text{ m}$). Tiết diện cột là chữ I không đổi kích thước $600 \times 300 \times 12 \times 14\text{ mm}$. Tiết diện xà ngang thay đổi: tại nách khung cao $850\text{ mm}$ ($850 \times 300 \times 12 \times 14\text{ mm}$), vuốt vát dần về đoạn giữa nhịp có chiều cao không đổi $600\text{ mm}$ ($600 \times 300 \times 12 \times 14\text{ mm}$). Đoạn thay đổi tiết diện chiếm chiều dài $(0,35 \div 0,4)$ nửa chiều dài xà, góc dốc mái $\alpha = 5,71^\circ$ ($i = 10%$).

2. Áp lực đứng lớn nhất của cầu trục truyền lên vai cột được xác định với giá trị bao nhiêu?
Áp lực đứng lớn nhất tính toán $D_{\max} = 28,058\text{ tấn}$. Giá trị này được xác định từ công thức $D_{\max} = n \cdot n_c \cdot P_{c\max} \cdot \sum y_i$, trong đó hệ số tin cậy $n = 1,2$; hệ số tổ hợp hai cầu trục chế độ trung bình $n_c = 0,85$; áp lực bánh xe tiêu chuẩn lớn nhất của cầu trục ZLK $Q = 125\text{ kN}$ là $P_{c\max} = 10,58\text{ tấn}$; và tổng tung độ đường ảnh hưởng của 4 bánh xe trên dầm cầu trục là $\sum y_i = 2,6$.

3. Tiết diện bản bụng của cột và xà có cần bố trí sườn gia cường để đảm bảo ổn định cục bộ không?
Không cần bố trí thêm sườn gia cường bản bụng. Kết quả kiểm tra ổn định cục bộ bản bụng cột theo TCXDVN 5575:2012 cho thấy với tỷ số độ mảnh $h_w / t_w = 572 / 12 = 47,67$ và hệ số độ lệch tâm tính đổi $m$, bản bụng cột đều thỏa mãn điều kiện ổn định dưới tác dụng của cả 3 tổ hợp nội lực nguy hiểm nhất ($M_{\max}, N_{\max}, M_{\min}$). Tương tự, bản bụng của xà tại nách khung ($h_w / t_w = 822 / 12 = 68,5$) và đoạn không đổi ($h_w / t_w = 47,67$) đều thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ mà không đòi hỏi sườn gia cường trung gian.

4. Cấu tạo liên kết chân cột ngàm với móng được thiết kế như thế nào?
Chân cột sử dụng liên kết ngàm gồm bản đế bằng thép dày $t_{bđ} = 5,5\text{ cm}$, chịu uốn cục bộ dưới tác dụng của ứng suất phản lực bê tông móng mác B20 ($R_b = 115\text{ daN/cm}^2$). Chống lực lật và kéo nhổ bằng 8 bu lông neo cường độ cao đường kính $\phi 36$ (diện tích làm việc $A_{bl} = 8,16\text{ cm}^2$). Thân cột được hàn liên kết vào bản đế bằng đường hàn góc chạy suốt chu vi tiết diện với chiều cao đường hàn $h_f = 9\text{ mm}$.

5. Liên kết nách khung (giữa xà và cột) sử dụng loại bu lông nào và số lượng bao nhiêu?
Nút nách khung sử dụng 14 bu lông cường độ cao cấp bền 8.8 liên kết qua mặt bích thép dày $3,0\text{ cm}$. Khả năng chịu lực của hàng bu lông chịu kéo lớn nhất đạt $N_{b\max} = 12081,7\text{ daN} < [N]{tb} = 22400\text{ daN}$, và lực cắt trượt truyền qua một bu lông đạt $N{vb} = 901,55\text{ daN} < [N]_{vb} = 1512\text{ daN}$, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho nút cứng của khung.

Kết luận

Thuyết minh đồ án môn học Kết cấu thép 2 của Nhóm 11 – Khoa XDDD&CN, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng đã hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật cho khung ngang nhà công nghiệp bằng thép một tầng, một nhịp $33\text{ m}$ có cầu trục 125 kN. Bản thuyết minh trình bày chặt chẽ, đầy đủ từ các căn cứ tiêu chuẩn (TCVN 2737-1995, TCXDVN 5575:2012), mô hình hóa nội lực trên SAP2000, kiểm tra toàn diện các điều kiện bền và ổn định cấu kiện đến chi tiết hóa các nút liên kết phức tạp. Đây là tài liệu học thuật có độ tin cậy kỹ thuật cao, đáp ứng chuẩn mực của một đồ án chuyên ngành xây dựng công trình và mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho công tác đào tạo cũng như thực hành kỹ thuật kết cấu thép.