Bài giảng Kết cấu thép: Phần 2 dành cho đối tượng là sinh viên ngành Kỹ thuật công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp với mục tiêu hướng dẫn người học tiếp cận việc thiết kế kết cấu thép cho nhà công nghiệp và nhà nhịp lớn, có cấu tạo từ các cấu kiện cơ bản với cái nhìn tổng quát đến chi tiết. Bài giảng truyền đạt cách lựa chọn phương án kết cấu sử dụng cho công trình nhà, đến các nội dung tính toán, cấu tạo, hoàn chỉnh một quá trình thiết kế Kết cấu nhà thép.
ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG THÉP
Đặc điểm chung
Nhà công nghiệp một tầng bằng thép là lựa chọn phổ biến trong xây dựng công trình công nghiệp Kết cấu chịu lực có thể được thiết kế dưới dạng khung hỗn hợp, kết hợp giữa cột bê tông cốt thép và xà ngang bằng thép, hoặc khung toàn thép, trong đó tất cả các cấu trúc cột và xà ngang đều sử dụng thép.
Hình 1.1 Nhà công nghiệp (khung hỗn hợp, khung toàn thép)
Kết cấu khung toàn thép được sử dụng cho:
- Nhà công nghiệp loại nặng, có chiều cao thông thủy lớn (H > 15m), nhịp lớn (L
Cột lớn với chiều cao 24m, bước cột từ 9m trở lên và sức trục tối thiểu 30 tấn thường được sử dụng trong các công trình có mái bằng tấm panel bê tông, mặc dù loại kết cấu này ít phổ biến tại Việt Nam Kết cấu cột có thể được tổ hợp từ các thép hình hoặc cột rỗng, trong khi mái được thiết kế bằng xà ngang hoặc giàn thép.
Nhà công nghiệp loại nhẹ là loại nhà không có cầu trục hoặc nhà có cầu trục với sức trục nhỏ (Q < 30 tấn) và mái lợp tôn, rất phổ biến ở Việt Nam Kết cấu của loại nhà này bao gồm cột và xà ngang được tổ hợp từ các bản thép, với chiều cao tiết diện cột và xà có thể giữ nguyên hoặc thay đổi (cấu kiện vát).
Hình 1.2 Khung thép nhà công nghiệp không có cầu trục
Nhà công nghiệp được chia làm 2 loại:
- Nhà không có cầu trục: nhà kho, nhà máy dệt may, nhà máy chế tạo đồng hồ, nhà máy lắp ráp vô tuyến v.v…
- Nhà có cầu trục: xưởng luyện thép, sản xuất đường, sửa chữa đầu máy toa xe, chế tạo tầu thủy v.v…
Theo đó, cầu trục là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến sự làm việc của kết cấu (tải trọng động, lặp và gây hiện tượng mỏi)
Phân loại nhà xưởng theo chế độ làm việc của cầu trục:
- Đối với xưởng sản xuất nhỏ, xưởng cơ khí lắp ráp, sửa chữa thiết bị:
+ Chế độ làm việc nhẹ: (chiếm 15% thời gian sử dụng)
+ Chế độ làm việc trung bình: (chiếm 20% thời gian sử dụng)
- Đối với dây chuyền sản xuất lớn, xưởng chế tạo kết cấu và xưởng cán thép, luyện kim
+ Chế độ làm việc nặng: (chiếm 40-60% thời gian sử dụng)
+ Chế độ làm việc rất nặng: (chiếm hơn 60% thời gian sử dụng)
Khung thép nhẹ được thiết kế cho các công trình không có cầu trục hoặc có cầu trục với sức tải nhỏ (Q < 30 tấn) và chế độ làm việc nhẹ đến trung bình.
Các yêu cầu khi thiết kế khung ngang
1.2.1 Yêu cầu về sử dụng
- Thuận tiện trong lắp đặt thiết bị máy móc: liên quan đến việc chọn bước cột, đường đi cầu trục, hệ giằng
- Đảm bảo thiết bị nâng cẩu làm việc bình thường: kết cấu khung nhà phải đủ độ cứng dọc và ngang
Để đảm bảo độ bền và tuổi thọ của kết cấu, cần xem xét tính chất của tải trọng mà cầu trục gây ra, vì nó có thể dẫn đến hiện tượng mỏi Bên cạnh đó, ảnh hưởng của môi trường, đặc biệt là mức độ xâm thực, cũng đóng vai trò quan trọng trong việc ăn mòn bề mặt kết cấu, ảnh hưởng đến tiết diện của dầm và cột khung.
- Đảm bảo điều kiện thông gió và chiếu sáng: liên quan đến việc chọn nhịp nhà, nhịp cửa trời và chiều cao các cửa kính
1.2.2 Yêu cầu về kinh tế
Chi phí thép và công chế tạo thấp liên quan trực tiếp đến giá thành vật liệu và quy trình chế tạo, lắp đặt Việc lựa chọn giải pháp thiết kế và hình dạng kết cấu, cùng với tiết diện dầm và cột, đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa chi phí này.
Rút ngắn thời gian thi công và tiến độ xây dựng là điều cần thiết, vì vậy cần định hình hóa các cấu kiện để giảm thiểu chủng loại kết cấu Các cấu kiện này sẽ được sản xuất tại nhà máy và sau đó được lắp đặt tại công trường, giúp tăng hiệu quả và giảm thời gian thi công.
Khi lựa chọn vật liệu cho kết cấu, cần ưu tiên các giải pháp tiết kiệm thép, như sử dụng khung toàn thép hoặc khung hỗn hợp Việc áp dụng các giải pháp này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu trong xây dựng.
Một số hình ảnh về khung thép nhà công nghiệp
1.3.1 Hình ảnh cấu tạo chung của nhà công nghiệp
Hình 1.3 Các bộ phận chính trong nhà công nghiệp
(1 – khung đầu hồi; 2 – xà gồ mái; 3 – khung ngang; 4 – cửa trời; 6 – tấm lấy sáng; 7 – máng thu nước; 8 – cửa chớp tôn; 9 – cửa đẩy; 10 - tấm thưng tường; 11 – cửa sổ;
12 – cột khung; 13 – giằng cột và giằng mái; 14 – tường xây bao; 15 – xà gồ tường;
16 – cửa đẩy, cửa cuốn; 17 – mái hắt; 18 – cột đầu hồi) 1.3.2 Hình ảnh cấu tạo chi tiết của nhà công nghiệp
Hình 1.4 Khung nhà công nghiệp có cầu trục
Hình 1.5 Khung nhà công nghiệp có cầu trục và không có cầu trục
Hình 1.6 Khung ngang và khung đầu hồi nhà xưởng – có cửa trời
Hình 1.7 Chi tiết liên kết trong khung ngang và xà gồ mái
Hình 1.8 Chi tiết liên kết xà ngang - xà ngang và chân cột
CẤU TẠO NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG
Các bộ phận chính của kết cấu nhà công nghiệp một tầng
Các bộ phận chịu lực nhà công nghiệp một tầng gồm có: a) Kết cấu mái:
Kết cấu mái bao gồm xà gồ mái và hệ giằng xà gồ, cùng với kết cấu đỡ kèo nếu có Tấm mái có thể là panel bê tông cốt thép, tấm tôn hoặc tấm phibro xi măng, và không thể thiếu cửa mái (hay còn gọi là cửa trời) Bên cạnh đó, kết cấu khung ngang cũng đóng vai trò quan trọng trong tổng thể thiết kế.
Cấu trúc công trình bao gồm cột và xà ngang (dầm hoặc giàn vì kèo), hệ giằng cột và giằng mái, cùng với tường bao che (tường panel, xây gạch hoặc tôn kết hợp với xà gồ quây tôn) Ngoài ra, kết cấu khung đầu hồi và sườn tường cũng đóng vai trò quan trọng trong tổng thể thiết kế.
Gồm có dầm, cột của khung đầu hồi để đỡ tường và giằng cột khung đầu hồi; hệ sườn tường
Trong kết cấu nhà công nghiệp, ngoài các bộ phận chịu lực chính, còn có dầm cầu trục, móng và giằng móng, tất cả liên kết với nhau để tạo thành một kết cấu không gian vững chắc chịu toàn bộ tải trọng Kết cấu này có thể được chia thành khung ngang và khung dọc Khung ngang bao gồm cột, xà ngang (giàn vì kèo hoặc dầm) và móng, trong khi các khung ngang được liên kết với nhau qua kết cấu dọc như hệ giằng, dầm cầu trục, kết cấu cửa mái và kết cấu đỡ tường Trong thiết kế, do độ cứng của khung ngang thấp hơn nhiều so với khung dọc, nên có thể tách một khung ngang để thiết kế với sai số chấp nhận được.
Bố trí hệ lưới cột
Bố trí lưới cột là quá trình xác định kích thước hợp lý giữa các cột theo hai phương: nhịp (phương ngang) và bước cột (phương dọc) Việc lựa chọn kích thước hệ lưới cột cần dựa trên điều kiện sử dụng vật liệu, công nghệ và thiết bị máy móc, bao gồm số lượng cầu trục và chế độ làm việc, đồng thời phải tính đến khả năng thay đổi công nghệ trong tương lai Ngoài ra, cần xem xét điều kiện kinh tế để đảm bảo chi phí vật liệu cho kết cấu là tối ưu nhất.
- Nhịp khung: Thường lấy các giá trị từ 12,0m đến 36,0m với mô đun là 3,0m
Bước cột thường được thống nhất với mô đun 6,0m hoặc 12m, tuy nhiên cũng có thể gặp các bước cột 7,5m, 9,0m và 10,5m Khi lựa chọn bước cột, cần so sánh nhiều phương án để tìm ra phương án tối ưu về kinh tế và kỹ thuật Đặc biệt, nên sử dụng bước cột B = 12m khi nhịp L lớn hơn 30m, chiều cao H lớn hơn 15m, và sức trục Q lớn hơn 30 tấn.
Trong thiết kế nhà dài, việc tạo khe nhiệt độ là cần thiết để giảm ứng suất trong kết cấu khung do biến đổi nhiệt độ Khoảng cách giữa các khe nhiệt độ theo phương dọc không vượt quá 200m và theo phương ngang không quá 120m Để giải quyết khe nhiệt độ dọc nhà, có thể chia thành các khối riêng biệt với cột phụ hoặc sử dụng gối tựa di động cho dầm tường và xà gồ mái.
Kích thước khung ngang
Khung thép nhẹ một tầng một nhịp hoặc nhiều nhịp được sử dụng phổ biến trong các công trình cần không gian thông thoáng như nhà thi đấu, hăng ga máy bay, phòng trưng bày sản phẩm, nhà kho và nhà sản xuất Với nhịp khung tối đa không quá 60m, việc lựa chọn sơ đồ khung một nhịp hay nhiều nhịp sẽ phụ thuộc vào yêu cầu kiến trúc và công năng sử dụng của từng công trình.
Hình 1.10 Khung ngang với tiết diện không thay đổi, thay đổi
Khung thép nhẹ là kết cấu chịu lực chính phổ biến hiện nay, bao gồm cột và xà ngang Việc lựa chọn hình thức tiết diện cột và xà trong sơ đồ khung rất quan trọng Cột thường sử dụng tiết diện đặc hoặc rỗng, được chế tạo từ thép tấm và liên kết hàn Theo chiều dài, tiết diện cột có thể là không đổi hoặc thay đổi, với các kiểu như cột bậc hoặc cột vát Xà ngang cũng có thể có chiều cao tiết diện không thay đổi hoặc thay đổi, như xà vát hoặc hình nêm Đối với nhịp khung lớn, để tối ưu hiệu quả chịu lực và sử dụng vật liệu, tiết diện xà hoặc cột chữ I tổ hợp hàn có thể được khoét lỗ ở bản bụng.
Trong sơ đồ tính khung, trục cột quy ước được xác định dựa trên tiết diện cột; đối với cột có tiết diện không đổi, trục này đi qua trọng tâm tiết diện, trong khi với cột tiết diện thay đổi hoặc cột vát, trục quy ước đi qua trọng tâm ở đầu bé hơn Đối với xà, bất kể tiết diện có thay đổi hay không, trục quy ước cũng được xác định qua trọng tâm tiết diện của từng đoạn.
Liên kết giữa cột khung và móng có thể là ngàm hoặc khớp, mỗi loại đều có ưu điểm riêng Liên kết khớp thường được sử dụng cho các công trình có kích thước nhỏ, không có cầu trục hoặc nền đất yếu, nhờ vào cấu tạo đơn giản và giảm kích thước móng Tuy nhiên, đối với khung ngang lớn chịu tải trọng nặng, liên kết khớp có thể gây ra chuyển vị ngang lớn ở đỉnh cột, vì vậy cần chọn liên kết ngàm để phân phối mô men xuống móng, từ đó giảm chuyển vị và tăng độ ổn định Trong các nhà công nghiệp, cầu trục thường được đặt ở vai cột để tối ưu hóa diện tích hoạt động, trong khi cầu trục treo chỉ nên sử dụng với sức trục nhỏ và khu vực hoạt động hạn chế.
Hình 1.11 Sơ đồ khung một nhịp (chân cột khớp hoặc ngàm)
Một dạng khung một nhịp có cột chống giữa thường được sử dụng trong các công trình như nhà kho, nhà điều hành sản xuất và nhà xưởng, với nhịp khung có thể lên đến 70-80m, nhưng để đảm bảo hiệu quả kinh tế, nhịp nên ở khoảng 18-24m Loại khung này mang lại ưu điểm về không gian sử dụng linh hoạt và khả năng bố trí nhiều phòng, tuy nhiên, nó cũng nhạy cảm với hiện tượng lún lệch của móng, và cột giữa có thể gặp khó khăn trong việc thay đổi vị trí Để giảm chiều cao cột giữa, có thể áp dụng sơ đồ khung một nhịp với nhiều cột chống, trong đó cột chính thường liên kết ngàm với móng, trong khi cột giữa có thể liên kết khớp hoặc cứng tùy thuộc vào tải trọng gió.
Hình 1.12 Sơ đồ khung một nhịp có một hoặc nhiều cột chống giữa
Khung một nhịp tựa, hay khung một mái dốc, thường được sử dụng để mở rộng các công trình hiện có như phòng thiết bị, phòng nghỉ công nhân và nhà kho Loại khung này không tự đứng vững mà phải dựa vào khung chính với mái dốc, và xà ngang của khung tựa thường liên kết khớp với khung chính để giảm tiết diện cột Nhịp của khung tựa thường không vượt quá 18m, nhưng để đảm bảo tính kinh tế và không gian sử dụng, nên hạn chế dưới 12m Nếu cần nhịp lớn hơn, xà cần được liên kết cứng với khung chính hoặc thêm cột phụ để chống đỡ Khi lắp đặt liên kết giữa gian chái và khung chính, cần chú ý đến hệ thống thoát nước mái để không ảnh hưởng đến kết cấu Cột và xà của gian nhà chái thường có tiết diện không đổi, nhưng khi nhịp lớn hơn, có thể chọn tiết diện thay đổi.
Khung một mái dốc có dạng một nhịp, có thể có thêm cột chống, với chiều dài nhịp lên đến 50m Tuy nhiên, loại khung này không kinh tế bằng khung một nhịp có hai mái dốc Nó thường được sử dụng khi có yêu cầu thoát nước mái, cần không gian lớn ở một bên nhà, hoặc khi cần mở rộng thêm nhịp của công trình mà không được đặt máng nước ở giữa hai nhà cũ và mới, cũng như không được tăng thêm tải trọng vào cột và móng của công trình cũ.
Hình 1.13 Sơ đồ khung tựa và khung khung một mái dốc
(a, b – khung tựa; c – khung một mái dốc)
Ngoài các kết cấu khung một tầng với cột và xà tiết diện chữ I, có thể sử dụng cột và xà ngang dạng giàn mái với các thanh bằng thép góc hoặc thép định hình Liên kết giàn mái với cột có thể là cứng hoặc khớp, và cũng có thể áp dụng kết cấu khung rỗng Liên kết cứng giữa giàn mái và cột mang lại độ cứng lớn cho khung, thường được sử dụng cho khung một nhịp chịu tải trọng cầu trục Trong khi đó, cấu tạo khớp thích hợp cho các nhà xưởng có cầu trục nhẹ, chiều cao nhỏ hoặc nhà xưởng không có cầu trục, và đôi khi cũng được sử dụng cho khung nhiều nhịp.
Hình 1.14 Kết cấu khung có giàn mái hoặc khung rỗng 2.3.2 Kích thước chính của khung một nhịp a) Kích thước theo phương ngang:
Hình 1.15 Các kích thước chính của khung ngang (a - theo phương ngang; b - theo phương đứng)
Khoảng cách từ mép ngoài cột đến trục định vị được xác định như sau: Nếu nhà không có cầu trục hoặc có chiều cao thấp với cầu trục có sức nâng dưới 30 tấn, thì a = 0, tức là trục định vị trùng với mép ngoài cột Đối với nhà có cầu trục với sức nâng lớn hơn 75 tấn hoặc chế độ làm việc nặng, cần bố trí lối đi xuyên qua giữa thân cột, a = 500 Trong các trường hợp còn lại, a = 250.
- Chiều cao tiết diện cột, trường hợp tiết diện cột trên và cột dưới không đổi, (h = ht hd), lấy phụ thuộc vào chiều dài toàn cột: h = (1/15 - 1/20)H (1.1)
Chiều cao tiết diện cột được xác định dựa vào chiều dài từng đoạn cột, trong đó chiều cao tiết diện cột trên (hd) và cột dưới (hd) có thể thay đổi Cụ thể, chiều cao tiết diện cột trên được tính theo công thức ht = (1/10-1/15)Ht, trong khi chiều cao tiết diện cột dưới được tính bằng hd = (1/15-1/20)Hd, với Ht và Hd lần lượt là chiều dài đoạn cột trên và cột dưới.
- Khoảng cách từ trục ray cầu trục đến trục định vị, (L1)
B - phần đầu cầu trục từ ray đến mép ngoài;
D - khe hở an toàn giữa đầu cầu trục và mép cột, D 75mm
L1 được (tạm lấy) như sau:
L1 = 750mm - nhà có cầu trục với sức trục Q < 75 tấn;
L1 = 1000mm - nhà có cầu trục với sức trục Q > 75 tấn;
L1 = 1250mm - nhà có cầu trục rất nặng, có lối đi ở cột trên;
Lk - nhịp của cầu trục lấy theo thông số kỹ thuật của cầu trục b) Kích thước theo phương đứng:
- Chiều cao cột, tính từ mặt móng đến đỉnh cột hoặc đáy xà (H), lấy chẵn 100mm
H1 - cao trình đỉnh ray, là khoảng cách nhỏ nhất từ mặt nền đến mặt ray cầu trục, được lấy theo yêu cầu sử dụng và yêu cầu công nghệ;
H2 – chiều cao từ mặt ray đến đáy xà ngang, xác định:
Chiều cao gabarit của cầu trục (Hk) là khoảng cách từ mặt ray đến điểm cao nhất của cầu trục, được xác định theo thông số kỹ thuật của thiết bị Khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang (bk) không được nhỏ hơn 200mm để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.
H3 - phần cột chôn dưới cao trình nền, lấy sơ bộ khoảng từ 0 1,0m
- Chiều cao cột trên, từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang (Ht)
Ht = H2 + Hdct + Hr (1.8) trong đó:
Hdct - chiều cao dầm cầu trục, lấy theo phần thiết kế dầm cầu trục hoặc chọn sơ bộ khoảng 1/8 1/10 nhịp dầm, Hdct = (1/8 1/10)B;
Hr - chiều cao tổng cộng của ray và đệm, lấy theo quy cách ray và phụ thuộc cầu trục, sơ bộ lấy Hr = 200mm;
- Chiều cao cột dưới, từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến mặt móng (Hd)
Hd = H - Ht (1.9) Độ dốc của mái thường chọn i = (10 – 15)% với khung có nhịp dưới 60m.
Hệ giằng khung nhà công nghiệp
Tác dụng chung của hệ giằng:
Hệ giằng là yếu tố quan trọng giúp tăng cường độ cứng không gian cho ngôi nhà, đồng thời giảm chiều dài tính toán của xà và cột theo phương ngoài mặt phẳng uốn, từ đó nâng cao sự ổn định tổng thể của khung ngang.
- Hệ giằng còn có tác dụng truyền tải trọng gió tác dụng ở đầu hồi và lực hãm ngang cầu trục theo phương dọc nhà xuống móng
- Ngoài ra, hệ giằng còn có tác dụng đảm bảo cho việc thi công lắp dựng kết cấu được an toàn và thuận tiện
Hệ giằng trong khung nhà công nghiệp sử dụng khung thép nhẹ, gồm hai hệ thống giằng là hệ giằng mái và hệ giằng cột
Hình 1.16 Hình ảnh minh họa hệ giằng mái sử dụng thép tròn và thép góc a) Đối với khung thép nhẹ trong nhà công nghiệp sử dụng xà ngang
Hệ giằng mái được bố trí ngang nhà tại hai gian đầu hồi, hoặc gần đầu hồi, cũng như ở một số gian giữa tùy thuộc vào chiều dài nhà, với khoảng cách giữa các giằng không quá 5 bước cột Bản bụng của hai xà ngang cạnh nhau được nối bởi giằng chéo chữ thập, sử dụng thép góc (tối thiểu L50x5) hoặc thép tròn, cáp thép mạ kẽm có đường kính không nhỏ hơn 12mm Ngoài ra, thanh chống dọc bằng thép hình, thường là thép góc, được bố trí tại các vị trí quan trọng như đỉnh mái, đầu cột và chân cửa mái, nhằm đảm bảo cố định khung trong quá trình thi công và chịu một phần lực căng khi sử dụng hệ giằng.
Khi xây dựng nhà có cầu trục, cần thiết phải bố trí giằng chéo chữ thập dọc theo đầu cột để tăng cường độ cứng cho khung ngang theo phương dọc, giúp truyền tải trọng ngang như tải trọng gió và lực hãm ngang của cầu trục ra các khung lân cận Đối với khung thép nhẹ trong các nhà công nghiệp, việc sử dụng giàn mái cũng rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định và an toàn cho công trình.
Do cấu tạo giàn mái gồm có thanh cánh trên, thanh cánh dưới và hệ thanh bụng
Vì vậy, hệ giằng cần phải bố trí trong mặt phẳng cánh trên, trong mặt phẳng cánh dưới và hệ giằng đứng
Hệ giằng mái trong mặt phẳng cánh trên được bố trí theo phương ngang tại hai gian đầu hồi, có thể ở gian gần đầu hồi hoặc tại đầu các khối nhiệt độ, cùng với một số gian giữa nhà, tùy thuộc vào chiều dài của công trình.
Hệ giằng mái trong mặt phẳng cánh dưới được bố trí theo hai phương ngang và dọc của nhà Trong phương ngang, hệ giằng được đặt tại vị trí có giằng trong mặt phẳng cánh trên, kết hợp với giằng cánh trên để tạo thành khối cứng tại hai đầu hồi và giữa nhà, đồng thời làm điểm tựa cho hệ sườn tường đầu hồi và tiếp thu tải trọng gió, được gọi là giàn gió Trong phương dọc, hệ giằng được bố trí dọc theo đầu cột, giúp truyền lực hãm dọc cục bộ của cầu trục ra các khung lân cận, và hệ giằng này chỉ áp dụng cho nhà có cầu trục với sức trục lớn.
Hệ giằng đứng được bố trí trong mặt phẳng thanh đứng, kết hợp với các hệ giằng khác, tạo thành khối cứng bất biến hình và làm điểm tựa cho các giàn khác Khoảng cách giữa các giằng đứng theo phương ngang trong nhà dao động từ 12 đến 15 mét, trong khi đó, theo phương dọc, giằng đứng được bố trí tại vị trí có giằng cánh trên và giằng cánh dưới.
Hình thức bố trí và tiết diện thanh giằng tương tự như đối với hệ giằng khung thép nhẹ trong nhà công nghiệp sử dụng xà ngang
Hình 1.17 Sơ đồ bố trí hệ giằng mái và giằng cột (a – mặt bằng hệ giằng; b – giằng cột; c – các chi tiết cấu tạo)
Hình 1.18 Hình ảnh minh họa hệ giằng cột sử dụng thép góc
Hệ giằng cột đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ cứng dọc nhà và ổn định cho cột, giúp tiếp nhận và truyền tải trọng xuống móng, bao gồm tải trọng gió tác động lên tường khung đầu hồi và lực hãm dọc nhà từ cầu trục Hệ giằng này bao gồm các thanh chéo được bố trí giữa cột trên và cột dưới tại những gian có hệ giằng mái.
Trong trường hợp nhà không có cầu trục hoặc có cầu trục với sức nâng dưới 15 tấn, hệ giằng có thể sử dụng thanh giằng chéo chữ thập bằng thép tròn với đường kính tối thiểu 20mm Đối với cầu trục có sức nâng trên 15 tấn, cần sử dụng thanh giằng bằng thép hình, thường là thép góc, với độ mảnh không vượt quá 200 Góc nghiêng của trục thanh giằng cột so với trục cột thường nằm trong khoảng 35 độ.
Trong trường hợp nhà có bước cột nhỏ và chiều cao cột khung lớn, nếu tạo góc nghiêng trục thanh giằng nhỏ, cần chia đôi hệ giằng và sử dụng thêm thanh chống phụ để đảm bảo tính ổn định và an toàn cho công trình.
2.4.3 Đặc điểm tính toán hệ giằng (tự đọc tài liệu) a) Hệ giằng mái
Giằng ngang, hay còn gọi là giàn gió, được thiết kế để chịu tải trọng gió ở đầu hồi và hệ sườn tường Trong sơ đồ tính toán, giằng ngang được coi như một giàn chịu tải trọng ngang, với thanh cánh là thanh cánh giàn chính hoặc thanh cánh xà ngang Các thanh bụng chữ thập, hay thanh giằng chéo, có một thanh kéo và một thanh nén khi chịu lực Do tải trọng có tính chất đổi chiều, sơ đồ tính toán bỏ qua thanh nén, coi như giàn tĩnh định Nội lực trong các thanh giàn được xác định theo phương pháp thông thường của cơ học kết cấu, và tiết diện thanh giằng được chọn dựa trên nội lực của thanh chịu kéo lớn nhất.
Giằng dọc là một sơ đồ tính toán cho giàn liên tục, được hỗ trợ bởi các gối tựa đàn hồi Gối tựa trong cấu trúc giàn chính là các khung ngang, và hệ số đàn hồi của gối tựa được xác định dựa trên giá trị chuyển vị ngang tại đầu cột khung Hệ giằng cột đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính ổn định và khả năng chịu lực của công trình.
Sơ đồ tính giàn gió bao gồm các thanh cánh là cột khung và thanh bụng là giằng chéo, trong đó hệ giằng cột chịu lực hãm dọc từ cầu trục và tải trọng gió ở đầu hồi, với giá trị lực hãm dọc khoảng 0,1Pmax Để xác định nội lực trong các thanh giằng cột, cần bỏ qua sự làm việc của các thanh chịu nén và coi sơ đồ tính là giàn tĩnh định Phương pháp mặt cắt được sử dụng để xác định nội lực trong các thanh giằng chịu kéo, từ đó tiến hành tính toán và lựa chọn diện tích tiết diện thanh giằng phù hợp.
Các thanh giằng được lựa chọn dựa trên độ mảnh giới hạn, cụ thể là [] = 400 cho thanh kéo và [] = 200 cho thanh nén Liên kết giàn và giằng sử dụng thanh căng loại bulông với đường kính từ 18 đến 20 mm.
Hình 1.19 Sơ đồ tính hệ giằng mái nhà công nghiệp (a – mặt bằng hệ giằng; b, c, d – sơ đồ tính giằng ngang, giằng dọc và giằng cột)
TÍNH TOÁN KHUNG NGANG
Sơ đồ tính khung
Để tránh ứng suất phụ do sự khác biệt giữa sơ đồ thực tế và sơ đồ tính toán, việc lựa chọn sơ đồ tính khung phù hợp với sơ đồ cấu tạo là rất quan trọng.
Giả thiết về độ cứng được xác định thông qua tiết diện của cột và xà ngang, đồng thời xem xét mối liên kết giữa các cấu kiện trong khung và sự kết nối giữa chân cột khung với móng.
Trục tính toán của cấu kiện được xác định qua trọng tâm của tiết diện, với khung có cấu kiện tiết diện thay đổi, trục cột đi qua trọng tâm tiết diện bé ở chân cột, trong khi trục xà đi qua trọng tâm từng đoạn Trong thực hành, trục tính toán của cột được xác định là trục định vị cột, còn trục tính toán của xà theo góc nghiêng của độ dốc mái, đi qua vị trí giao giữa đỉnh cột và đáy xà Góc nghiêng xà và cột tương ứng với độ dốc mái i (%) Đối với tiết diện cột vát, trục cột cũng được lấy qua trọng tâm tiết diện cột bé ở chân cột.
Tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ sản xuất và điều kiện địa chất, việc lựa chọn hình thức khung có thể là một nhịp hoặc nhiều nhịp, cùng với các loại liên kết giữa cột và xà, cũng như giữa cột và móng Thông thường, liên kết giữa đầu cột và xà được thiết kế cứng, trong khi liên kết chân cột với móng có thể là ngàm hoặc khớp, và các đoạn xà thường được liên kết cứng Hình 1.20 minh họa cấu trúc khung một nhịp với liên kết chân cột ngàm cứng; liên kết xà với đầu cột và các đoạn xà cũng là cứng Đoạn xà 1 có tiết diện thay đổi và chiều dài khoảng 1/6 nhịp L, việc phân chia các đoạn xà phụ thuộc vào chiều dài đoạn chuyên chở của phương tiện vận chuyển và khả năng gia công chế tạo mô đun trong nhà máy.
Hình 1.20 Xác định sơ đồ tính toán khung ngang một nhịp
(a – sơ đồ thực; b – sơ đồ tính)
Tải trọng tác dụng lên khung ngang
Trọng lượng của bản thân kết cấu, mái và hệ giằng được phân bố đều trên xà ngang Tải trọng tính toán phân bố đều trên mặt bằng được ký hiệu là \( q_o \) và có đơn vị là kN/m².
Phần mềm phân tích nội lực tự động tính toán trọng lượng bản thân của cột và xà ngang trong kết cấu khung, nhưng cần nhân với hệ số 1,05 để tính đến trọng lượng của chi tiết liên kết Ngoài ra, tải trọng từ các lớp vật liệu trên mái và trần treo cũng cần được xem xét.
Khi tính toán trọng lượng mái sử dụng tấm lợp tôn, cần xem xét trọng lượng của tôn, vật liệu cách nhiệt (nếu có) và trọng lượng xà gồ Trọng lượng của các vật liệu này có thể tham khảo từ catalog của nhà sản xuất hoặc ước tính khoảng 0,10 - 0,15 kN/m².
- Trường hợp nhà có trần treo bằng vật liệu nhẹ (thạch cao, trần nhựa, tôn lạnh), lấy trọng lượng khoảng 0,05kN/m 2 b) Trọng lượng kết cấu mái và hệ giằng
- Trường hợp khung có xà ngang, được lấy theo các thiết kế tương tự hoặc có thể lấy sơ bộ khoảng (0,15 - 0,20) kN/m 2
- Trường hợp khung có giàn vì kèo, trọng lượng bản thân giàn và hệ giằng được xác định theo công thức kinh nghiệm, (kN/m 2 ): c g 1,2 Ld (1.11) trong đó:
d - hệ số trọng lượng bản thân, d = 0,0050,007 đối với giàn L = 18 30m; 1,2 - hệ số kể đến trọng lượng các thanh giằng; c) Trọng lượng kết cấu cửa trời (nếu có)
- Tính trên diện tích mặt bằng nhà (kN/m 2 ), được lấy theo kinh nghiệm: ct 2 ct ct g L (1.12) trong đó:
- Hoặc trọng lượng kết cấu cửa trời quy về lực tác dụng có thể lấy từ (0,12 0,18) kN/m 2 mặt bằng nhà d) Trọng lượng dầm cầu trục đặt tại vai cột
- Lấy theo kinh nghiệm: gdct = 2,0 6,0kN/m khi Q = 5 15t; gdct = 4,0 8,0kN/m khi Q = 20 50t; gdct = 6,0 12,0kN/m khi Q > 50t;
- Lấy theo công thức gần đúng: dct 2 dct dct
Ldct - nhịp dầm cầu trục (cũng là bước cột B), m;
dct - hệ số trọng lượng bản thân dầm cầu trục, dct = 0,24 0,37 với Q 20
(2) Kiểm tra ổn định tổng thể: Ổn định tổng thể của cột theo hai phương trong và ngoài mặt phẳng khung được kiểm tra theo công thức sau, c e
e – hệ số uốn dọc của cấu kiện chịu nén lệch tâm;
Hệ số uốn dọc (y) của cấu kiện chịu nén đúng tâm và hệ số c phản ánh ảnh hưởng của mô men uốn cùng hình dạng tiết diện đến khả năng ổn định ngoài mặt phẳng của cột.
5 x 10 x c c 2 0,2m c 0,2m 1 , khi 5 m x 10, (1.59) c5 - xác định theo công thức trên ứng với mx = 5; c10 - xác định theo công thức trên ứng với mx = 10;
, - hệ số tra bảng theo Tiêu chuẩn TCVN 5575:2012;
b – hệ số xác định như đối với dầm thép khi kiểm tra ổn định tổng thể:
b 0,68 0,21 1 khi 1 0,85, mx - độ lệch tâm tính đổi;
- hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện
Cần luy ý, độ lệch tâm tương đối mx trong công thức (1.57) đến (1.59) được tính toán với trị số mô men quy ước M’ xác định như sau:
M1 và M2 là trị số mô men uốn tại hai đầu cột hoặc đoạn cột trong cùng một tổ hợp tải trọng, tương ứng với tổ hợp được sử dụng để kiểm tra tiết diện của cột.
M - trị số mô men tại 1/3 chiều cao cột (hoặc đoạn cột) kể từ phía có mô men lớn hơn M được xác định cùng tổ hợp tải trọng với M1, M2;
(3) Kiểm tra ổn định cục bộ:
Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh cột theo công thức: o o f f b b t t
(1.61) trong đó: bo – bề rộng tính toán của bản cánh, f w o b t b 2
(1.62) bo/tf – độ mảnh giới hạn của bản cánh cột, xác định như sau đối với cột tiết diện chữ I có 0,8 4:
Lưu ý rằng trong công thức (1.63), nếu giá trị của nhỏ hơn 0,8 hoặc lớn hơn 4, cần điều chỉnh lại thành = 0,8 hoặc = 4 để thực hiện tính toán Nếu trường hợp (1.61) không được thỏa mãn, cần điều chỉnh tiết diện của bản cánh Để kiểm tra ổn định cục bộ của bản bụng cột, sử dụng công thức: w w w w h h t t.
(1.64) bo/tf – độ mảnh giới hạn của bản bụng cột, xác định theo Bảng 1.2
Bảng 1.2 Bảng tra độ mảnh giới hạn của bản bụng Loại tiết diện cột
Trong trường hợp khả năng chịu lực của cột được xác định bởi điều kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng uốn (1.55), có thể áp dụng trị số hw/tw lớn hơn giá trị trong Bảng 1.2 Tuy nhiên, khi xét đến các điều kiện ổn định (1.55) và (1.56), cần thay thế diện tích tiết diện cột bằng diện tích đã trừ phần bản bụng cột bị mất ổn định cục bộ, trong khi các đặc trưng hình học khác vẫn giữ nguyên.
A = 2C1.tw + 2.tf.bf (1.65) với C1 – bề rộng của phần bản bụng cột tiếp giáp với bản cánh
(1.66) Nếu tỷ số h / t w w 2,3 E / f thì cần gia cường cho bản bụng cột bằng các cặp sườn ngang (vách cứng)
Sườn ngang được hàn vào bản cánh và bản bụng cột, với chiều cao đường hàn theo yêu cầu cấu tạo
Kích thước sườn ngang lấy như sau:
- Bề rộng sườn: s w b h / 30 40mm (hai bên) s w b h / 24 50mm (một bên)
Hình 1.39 Bố trí sườn ngang
(4) Kiểm tra chuyển vị ngang ở đỉnh cột:
Theo Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép TCVN 5575:2012, việc kiểm tra chuyển vị ngang (x) ở đỉnh cột khung nhà công nghiệp một tầng theo mục 3.4 phải đảm bảo rằng giá trị này do tải trọng gió tiêu chuẩn gây ra không được vượt quá các giới hạn quy định.
+ Nhà không có cầu trục, có tường bao che là tấm tôn kim loại, x
100 (1.67) + Nhà có cầu trục chế độ làm việc nhẹ hoặc trung bình, x
300 (1.68) Chú ý: Việc xác định chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột từ phần mềm SAP
Trong trường hợp tải trọng thường xuyên và tải trọng gió, cần xác định các giá trị tương ứng với tải trọng tiêu chuẩn là 2000 Nếu tính toán chuyển vị đỉnh cột dựa trên tải trọng tính toán, cần chia giá trị này cho hệ số độ tin cậy của tải trọng tương ứng.
4.1.3 Kiểm tra ổn định tổng thể cột tiết diện vát (tham khảo)
Tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 hướng dẫn kiểm tra ổn định tổng thể của cột vát Bài viết dưới đây sẽ giới thiệu phương pháp tính toán theo tác giả “Катюшин В В.” từ Nga, đặc biệt là khi tính khung với sơ đồ không biến dạng.
Khi tính khung với sơ đồ không biến dạng, ổn định tổng thể của cột kiểm tra theo công thức: cr,e e
Ncr,e – lực tới hạn Ơ le (có kể đến ảnh hưởng của mô men uốn)
Imax – mô men quán tính của tiết diện lớn hơn, ở đỉnh cột;
M – hệ số kể đến ảnh hưởng của mô men uốn đến ổn định khung, M = 0,9 - 0,95; k - hệ số điều chỉnh, lấy theo Bảng 1.3, phụ thuộc tham số, max min
I (1.71) ke – hệ số độ tin cậy, ke = 1,25 + 13/, với x max l E i f
, imax – bán kính quán tính của tiết diện đầu cột
Bảng 1.3 Hệ số điều chỉnh k
0 0,05 0,10 0,20 0,50 1,00 2,00 3,00 6 k 1,00 0,88 0,84 0,79 0,73 0,68 0,64 0,61 0,60 b) Khi tính khung với sơ đồ biến dạng (tự đọc tài liệu)
Việc kiểm tra ổn định tổng thể của cột cần được thực hiện một cách chính xác dựa trên sơ đồ biến dạng Trong quá trình này, tính toán nội lực (Ni, Mi) tại một số tiết diện của cột là rất quan trọng Đối với tiết diện thứ i, việc kiểm tra ứng suất được thực hiện theo công thức cụ thể để đảm bảo độ an toàn và hiệu quả của kết cấu.
Ai, Wi – diện tích tiết diện và mô men chống uốn của tiết diện thứ i;
M i – mô men uốn tăng thêm do ảnh hưởng của lực dọc N khi cột biến dạng, i i i
Độ võng tổng tại tiết diện i, ký hiệu là yi, được tính bằng tổng của các yếu tố: mô men uốn, lực dọc, độ võng ban đầu và độ lệch tâm của lực dọc, với công thức yi = y1 + y2 + y3 Cụ thể, độ võng y1 do mô men uốn gây ra như được minh họa trong Hình 1.40.
(1.74) với c = Imin/Imax và = x i /H xi – khoảng cách từ tiết diện (nhỏ) chân cột đến tiết diện thứ i
Theo Hình 1.40, khi hệ số c giảm, độ võng của tiết diện giữa cột tăng lên Độ võng ban đầu và lệch tâm của lực dọc có thể được xác định gần đúng bằng công thức.
(1.76) Độ võng do lực dọc, y2
(1.78) Thực nghiệm cũng chỉ ra rằng, kiểm tra theo công thức (1.69) lệch so với cách tính theo công thức (1.72) khoảng (10- 12)%
Cấu tạo và tính toán xà
Từ bảng tổ hợp nội lực, cần lựa chọn các cặp nội lực nguy hiểm để thực hiện tính toán Thông thường, các cặp nội lực được chọn tại các tiết diện ở hai đầu xà và tại vị trí có sự thay đổi tiết diện.
Khi thiết kế xà ngang, cần lưu ý rằng mỗi tiết diện đều chịu mô men uốn và lực dọc, thường là lực nén Do đó, tiết diện xà có thể được chọn sơ bộ dựa trên các tiêu chí của cấu kiện chịu uốn, tương tự như dầm tổ hợp hàn, và sau đó kiểm tra theo điều kiện bền của cấu kiện chịu nén uốn Việc xác định kích thước tiết diện sơ bộ bao gồm chiều cao tiết diện (h), chiều dày bản bụng (tw), chiều rộng bản cánh (bf) và chiều dày bản cánh (tf).
Mô men chống uốn cần thiết của tiết diện có thể xác định theo công thức: yc x max x c
(1.79) Chiều cao của tiết diện xác định từ điều kiện tối ưu về chi phí vật liệu: kt x yc w h k W
t (1.80) trong đó: k - hệ số cấu tạo, lấy k = 1,20 1,15 với tiết diện dầm tổ hợp hàn; tw - chiều dày bản bụng xà, chọn sơ bộ tw = (0,6 – 1,2)cm
Chiều dày bản bụng tiết diện xác định từ điều kiện chịu cắt: max w v c
(1.81) Diện tích tiết diện cần thiết của bản cánh có thể xác định theo công thức:
(1.82) Theo các điều kiện cấu tạo và ổn định cục bộ, kích thước tiết diện bản cánh được chọn như sau:
- Chiều dày bản cánh thường lấy tf = (10 20)mm
- Chiều dày bản cánh đảm bảo ổn định cục bộ của cánh nén: f f b E t f (1.83) x h t t f f w h h f b f t w y y x
; b f 180mm (1.84) 4.2.2 Kiểm tra tiết diện
Trong kết cấu khung thép nhẹ, do xà ngang có độ dốc nhỏ, lực dọc tác động thường không ảnh hưởng nhiều đến ứng suất trong tiết diện, so với mô men uốn khi độ lệch tâm quy đổi lớn hơn 20 Do đó, tiết diện đã chọn cần được kiểm tra độ bền theo công thức (1.54).
Tại tiết diện đầu xà, mô men uốn và lực cắt tác động đồng thời, do đó cần kiểm tra ứng suất tương đương tại vị trí tiếp xúc giữa bản cánh và bản bụng.
Sf - mômen tĩnh của một cánh dầm đối với trục trung hòa x-x
Do khoảng cách bố trí xà gồ (lo) không lớn, tỷ số lo/bf không vượt quá giới hạn theo công thức mục 5.2.2 của Tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 Vì vậy, không cần kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể của xà Các điều kiện ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng xà ngang được kiểm tra tương tự như đối với dầm thép thông thường.
(1.87) b0 – bề rộng tính toán của cánh chịu nén, bo = 0,5(bf – tw);
w - độ mảnh quy ước của bản bụng
Nếu không đáp ứng điều kiện theo công thức (1.86), cần điều chỉnh tiết diện bản cánh Trong trường hợp không thỏa mãn (1.87), cần tăng cường bản bụng bằng các sườn cứng giống như đối với cột Hơn nữa, nếu w > 2,5, cần kiểm tra các ô bản bụng theo quy định tại điều 5.6.1 của Tiêu chuẩn TCVN 5575:2012.
4.2.3 Kiểm tra ổn định tổng thể xà ngang tiết diện vát
Kiểm tra ổn định tổng thể của xà vát là một quy trình phức tạp và không được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế Để đảm bảo ổn định tổng thể cho xà, cần phải bố trí hệ giằng mái Cụ thể, khoảng cách L0 giữa các điểm giằng cánh trên của xà ngang phải đáp ứng các điều kiện nhất định.
(1.88) trong đó: bf, tf – chiều rộng, chiều dày của bản cánh; hf – khoảng cách trọng tâm của hai cánh xà ngang
Khi khung chịu tải gió bốc, cánh dưới của xà chịu nén cần có điểm ngăn cản chuyển vị ngang Một biện pháp hiệu quả là sử dụng thanh chống bằng thép góc để hỗ trợ xà gồ Khoảng cách giữa hai điểm chống Lo phải tuân thủ biểu thức (1.88) Điểm nối thanh cánh vào xà gồ mái nên cách đầu xà gồ khoảng từ 680 đến 800 mm.
Cấu tạo và tính toán vai cột
4.3.1 Vai cột có cột dưới tiết diện đặc
Hình 1.43 Hình ảnh minh họa chi tiết vai cột
Hình 1.44 Chi tiết cấu tạo vai cột
(1 – bụng dầm vai; 2 – cánh trên và cánh dưới dầm vai; 3 – sườn gia cường) a) Tác dụng của vai cột
Vai cột có chức năng chính là đỡ dầm cầu trục và truyền tải trọng của cầu trục vào cột Trong cấu trúc khung thép nhẹ, vai cột thường được thiết kế với tiết diện đối xứng hình chữ I và được hàn lại (Hình 1.44) Việc tính toán vai cột là một bước quan trọng trong thiết kế kết cấu.
Sơ đồ tính vai cột trong dầm công-xơn được xác định bằng khoảng cách từ trọng tâm dầm cầu trục đến mép ngoài của cánh cột khung Sơ đồ này phải chịu tải trọng tập trung do áp lực đứng Dmax, là phản lực lớn nhất của dầm cầu trục, cùng với trọng lượng bản thân của dầm cầu trục.
Nội lực trong dầm vai tại chỗ ngàm với bản cánh cột được xác định theo công thức của Cơ học kết cấu, bao gồm mô men uốn (M) và lực cắt (V).
Chiều cao của bản bụng dầm vai (h dv w) được xác định dựa trên khả năng chịu lực của hai đường hàn kết nối bản bụng dầm vai với cánh cột Bề dày của bản cánh dầm vai có thể được chọn sơ bộ trong khoảng từ 10 đến 20mm, trong khi bề rộng của bản cánh dầm vai lại phụ thuộc vào bề rộng của bản cánh cột.
Bề dày bản bụng dầm vai được xác định từ điều kiện ép mặt cục bộ do phản lực dầm cầu trục truyền vào:
dct max dv f dct dv w c
dv max dct w dv dct f c
Chiều dày bản bụng dầm vai được ký hiệu là dv tw và có giá trị là 1.91 Bề rộng sườn gối dầm cầu trục, ký hiệu bdct, được lấy theo thiết kế dầm cầu trục hoặc chọn sơ bộ với giá trị bdct khoảng 30cm Chiều dày bản cánh dầm vai, ký hiệu dv tf, được chọn sơ bộ trong khoảng từ 10 đến 20mm Cường độ tính toán về ép mặt của thép được ký hiệu là fc.
Tiết diện dầm vai đã chọn cần được kiểm tra để đảm bảo bền uốn, bền cắt và ứng suất tương đương tại vị trí ngàm với bản cánh cột Việc này rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong thiết kế kết cấu.
W ,I - mô men chống uốn và mô men quán tính của tiết diện dầm vai; dv hw - chiều cao bản bụng dầm vai; dv
Sf - mô men tĩnh của bản cánh dầm vai đối với trục trung hòa
Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng dầm vai tương tự như việc kiểm tra tiết diện dầm thép tổ hợp hàn thông thường Chiều cao đường hàn góc liên kết dầm vai vào cột được chọn sơ bộ dựa trên quan niệm về lực cắt và mômen, trong đó lực cắt chịu bởi các đường hàn ở bản bụng và mômen do các đường hàn ở cánh Các đường hàn cần được kiểm tra bền theo các điều kiện đã được xác định.
Aw, Ww - diện tích tiết diện và mômen chống uốn của các đường hàn góc liên kết cánh và bụng dầm vai với cánh cột
4.3.2 Vai cột có cột dưới tiết diện rỗng (tự đọc tài liệu)
Hình 1.46 Hình ảnh minh họa vai cột có cột dưới tiết diện rỗng
Cấu tạo và tính toán chân cột
Dựa trên giải pháp liên kết chân cột với móng, có hai phương án chính được lựa chọn: chân cột liên kết khớp và chân cột liên kết ngàm cứng Việc lựa chọn phương án phù hợp phụ thuộc vào điều kiện nền đất, khả năng chế tạo và tính kinh tế của giải pháp Bài viết này sẽ trình bày cấu tạo và tính toán cho hai loại chân cột, sử dụng tiết diện cột đặc chữ H tổ hợp hàn.
4.4.1 Tính toán bản đế a) Trường hợp chân cột liên kết khớp với móng
- Từ bảng tổ hợp nội lực, chọn cặp nội lực tính toán gây nén lớn nhất tại tiết diện chân cột
Khi thiết kế chân cột, cần lựa chọn phương án cấu tạo phù hợp và kích thước bản đế đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về ép mặt cục bộ của bê tông móng cũng như điều kiện cấu tạo chân cột.
- Diện tích bản đế được xác định theo công thức: bd yc bd bd yc b.loc
N - lực dọc tính toán chân cột;
Hệ số phụ thuộc vào đặc điểm phân phối tải trọng cục bộ trên diện tích ép mặt Cụ thể, hệ số này bằng 1 khi ứng suất nén trong bê tông móng phân bố đều và bằng 0,75 khi ứng suất nén trong bê tông móng phân bố không đều.
Rb.loc - cường độ tính toán chịu nén cục bộ của bê tông móng,
- hệ số phụ thuộc vào cấp bền của bê tông, ,5Rbt/Rb; = 1,0 khi cấp bền bê tông không quá B25;
Rn - cường độ chịu nén tính toán của bê tông;
b – hệ số tăng cường độ của bê tông khi nén cục bộ,
Am - diện tích mặt móng;
Abd - diện tích bề mặt bản đế; bd bd
Hình 1.47 Cấu tạo chân cột liên kết khớp với móng
(1 – bản đế; 2 – sườn; 3 – bu lông neo)
- Kích thước tiết diện bản đế:
Dựa vào (Abd)yc theo công thức (1.97) và hình dạng tiết diện cột, cần chọn chiều dài bản đế (Lbd) và bề rộng bản đế (Bbd) sao cho đảm bảo điều kiện b.loc bd bd.
L B (1.100) Với - ứng suất phản lực trong bê tông móng dưới bản đế chân cột
Bề dày của bản đế phải đảm bảo điều kiện bền uốn và chịu ứng suất phản lực của bê tông móng, với bề dày tối thiểu là 12mm Nếu bề dày bản đế quá lớn, cần thiết phải cấu tạo thêm sườn đế để tăng cường độ bền Bu lông neo được lựa chọn theo yêu cầu cấu tạo, với đường kính từ 20-24mm, và số lượng bu lông thường là 2 hoặc 4 cái, tùy thuộc vào kích thước chân cột Trong trường hợp chân cột liên kết ngàm với móng, các yếu tố cấu tạo cần được xem xét kỹ lưỡng.
Chân cột liên kết ngàm với móng trong khung thép nhẹ thường bao gồm bản đế, dầm đế và có thể có thêm các sườn Các dầm đế và sườn giúp phân bổ nội lực chân cột xuống bản đế, đồng thời giảm kích thước các ô bản đế, từ đó làm giảm bề dày của bản đế Hình 1.48 minh họa hai phương án cấu tạo chân cột, tùy thuộc vào độ lệch tâm e = M/N Hình 1.48a áp dụng cho trường hợp e ≤ Lbd/6 (không có vùng kéo trong bê tông móng), trong khi Hình 1.48b áp dụng cho trường hợp e > Lbd/6.
Lbd/6 (có vùng kéo trong bê tông móng)
Hình 1.48 Cấu tạo chân cột liên kết ngàm với móng
(1 – bản đế; 2 – sườn; 3 – bu lông neo; 4 – dầm đế) Chiều rộng và chiều dài bản đế được chọn trước theo cấu tạo hình học chân cột:
2 bd bd b,loc bd b,loc bd b,loc
Chiều dài bản đế không nên vượt quá 30cm so với chiều cao tiết diện cột để đảm bảo kích thước cổ móng hợp lý Các kích thước sơ bộ cho c1, c2 và tbd có thể được chọn như sau: c1 từ 5 đến 10cm, c2 từ 10 đến 15cm, và tbd từ 0,8 đến 1,2cm.
Sau khi xác định chiều dài bản đế (Lbd) và bề rộng bản đế (Bbd), cần tiến hành kiểm tra điều kiện chịu ép mặt cục bộ của bê tông móng, đảm bảo rằng giá trị tối đa không vượt quá 2 lần bề rộng bản đế (min bd).
Bề dày bản đế chân cột cần được xác định dựa trên điều kiện chịu uốn và ứng suất phản lực ở bê tông móng Cần lưu ý rằng ứng suất phản lực trong các ô bản đế phân bố không đều, do đó để đảm bảo an toàn, nên lấy giá trị ứng suất lớn nhất trong ô đang xét Giá trị tối đa của bề dày là bd max c t 6M.
Mmax – giá trị lớn nhất của mô men uốn trong các ô bản đế,
Mi – trị số mô men uốn trong ô bản đế thứ i; di - nhịp tính toán của ô bản đế thứ i;
i - ứng suất phản lực của bê tông móng trong ô bản đế thứ i, xác định theo (1.100) hoặc (1.104);
b - hệ số phụ thuộc tỷ số các cạnh và loại ô bản, tra Bảng 1.5 và Bảng 1.6
Bảng 1.4 cung cấp thông số xác định kích thước ô bản, bao gồm các giá trị d và cho từng loại ô Cụ thể, ô 1 (con sơn) có d = c và = 0,5; ô 4 (bốn cạnh ngàm) có d = a1 và tra bảng (b1/a1), với a1 là cạnh ngắn của ô bản Tương tự, ô 3 (ba cạnh liên kết) có d = a2 và tra bảng (b2/a2), trong đó a2 là chiều dài biên tự do Cuối cùng, ô 2 (hai cạnh liên kết) có thông số tương tự như ô 3, với b2 là chiều dài cạnh liên kết.
Bảng 1.5 Hệ số b đối với bản kê bốn cạnh b1/a1 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 2 > 2
Bảng 1.6 Hệ số b đối với bản kê ba cạnh (hai cạnh kề nhau) b2/a2 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 2 > 2
Hình 1.49 Các kích thước ô bản đế trong công thức (1.106)
Khi bề dày bản đế tính toán theo công thức (1.105) quá lớn, cần giảm kích thước ô bản đế bằng cách bố trí thêm sườn ngăn để giảm mô men uốn trong bản đế Thông thường, bề dày bản đế được chọn trong khoảng từ 1,2 đến 3 cm và không nên nhỏ hơn 1,2 cm.
Cấu tạo chân cột được xác định dựa trên việc tính toán như dầm đơn giản hoặc dầm công xơn, chịu tải trọng từ ứng suất phản lực trong bê tông móng, kết hợp với diện tích truyền tải tương ứng.
Khi chọn kích thước thép tấm cho dầm đế, cần xác định bề dày trong khoảng từ 0,8 đến 1,2 cm Bề rộng nên được chọn là Bdd, trong khi chiều cao dầm đế hdd cần được kiểm tra để đảm bảo khả năng chịu uốn và đủ không gian cho các đường hàn liên kết với thân cột.
Theo yêu cầu cấu tạo, chiều cao của đường hàn liên kết dầm đế vào cột cần được xác định Từ đó, có thể tính toán chiều dài của đường hàn liên kết này bằng công thức: w dd f w min c l N 2h (f).
(1.107) 4.4.3 Tính toán sườn A và sườn B
Sơ đồ tính sườn A và sườn B bao gồm dầm công-xôn được ngàm vào bản bụng cột (sườn B) hoặc ngàm vào bản cánh cột (sườn A) Hai đường hàn liên kết được sử dụng để liên kết chúng vào cột.
- Tải trọng tác dụng, qs, là ứng suất phản lực lớn nhất ở ô bản đế tương ứng
- Nội lực gồm có mô men và lực cắt: Ms=qs.ls 2/2 và Vs =qs.ls
Cấu tạo và tính toán chi tiết liên kết cột với xà ngang
Hình 1.51 Hình ảnh minh họa liên kết cột - xà b 1 b f t s t w b s
Hình 1.52 Chi tiết liên kết xà – cột
Liên kết giữa cột và xà ngang được thực hiện thông qua mặt bích và bu lông cường độ cao, với đường kính bu lông thường từ 16 đến 30 mm Bu lông có thể được sắp xếp thành 2 hoặc 4 hàng ở hai bên bản bụng cột, tùy thuộc vào kích thước tiết diện của xà và cột tại vị trí liên kết Trong đó, kiểu bố trí bu lông theo 2 hàng là trường hợp thường gặp Tùy theo khoảng cách giữa các dãy bu lông, có thể có hai cách bố trí khác nhau trong phạm vi tiết diện.
Khoảng cách tối đa và tối thiểu giữa các bu lông trong liên kết phải tuân thủ theo tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 Để biết thêm chi tiết, bạn có thể tham khảo các giá trị được cung cấp trong Bảng 1.7.
Bảng 1.7 Khoảng cách bố trí bu lông trong mối nối cột với xà ngang Đường kính bu lông, mm
Khoảng cách bố trí bu lông, mm a1 a2 a3 a4 a5 b1
Nếu khoảng cách giữa hai dãy bu lông sát với 2 bản cánh phía trong tiết diện c 600mm thì bố trí thêm sườn B gia cường (Hình 1.53b)
Trình tự tính toán mối nối cột với xà ngang được thực hiện như sau: b 1 b f
Hình 1.53 Bố trí bu lông trong liên kết xà với cột khung (a – không có sườn tăng cứng, c < 600mm; b – có sườn tăng cứng, c 600mm)
- Chọn cặp nội lực nguy hiểm (M, N, V) từ bảng tổ hợp nội lực, thường là cặp (M - max, Ntư)
Khi chọn bề dày (ts), bề rộng (ls) và chiều cao sườn (hs), cần tuân thủ các yêu cầu cấu tạo cụ thể Đảm bảo rằng bề dày (ts) phải lớn hơn hoặc bằng bề dày tối thiểu (tw), bề rộng sườn (ls) sẽ phụ thuộc vào kích thước của mặt bích, và chiều cao sườn (hs) cần đạt 1,5 lần bề rộng sườn (ls).
4.5.1 Tính toán bu lông liên kết
- Chọn loại bu lông phù hợp và căn cứ vào cấu tạo để bố trí trước số lượng bu lông vào liên kết
Để xác định lực kéo tác dụng vào một bulông ở dãy ngoài cùng, cần xem xét mômen và lực dọc phân vào, với giả định rằng tâm quay trùng với dãy bulông phía ngoài cùng Công thức tính lực kéo là b max 1 2 i.
(1.117) trong đó: hi – khoảng cách từ dãy bu lông thứ i trong liên kết đến tâm quay (Hình 1.52); h1 – khoảng cách giữa 2 dãy bu lông ngoài cùng;
Kiểm tra khả năng chịu lực của bu lông trong liên kết (ở dãy biên ngoài cùng):
- Chịu mô men và lực dọc:
- Chịu lực cắt (coi lực cắt phân đều cho các bu lông):
[N]tb, [N]b – khả năng chịu kéo và khả năng chịu trượt của một bu lông cường độ cao, xác định theo công thức (1.120) và (1.121):
V – lực cắt tại tiết diện liên kết, trong cùng tổ hợp với mô men và lực dọc ở trên; n – số lượng bu lông trong liên kết
Nếu không thỏa mãn, cần tăng đường kính bu lông hoặc tăng số lượng bu lông
(nếu có thể) và kiểm tra lại theo các bước đã nêu
Bề dày mặt bích thường được chọn trong khoảng 1,2 đến 2,5 cm, dựa trên điều kiện cân bằng giới hạn khi chịu uốn, với giá trị được lấy lớn hơn trong hai trị số được xác định.
Ni - Lực kéo tác dụng lên một bu lông ở dãy thứ i; i b max i
h (1.123) b – bề rộng của mặt bích, thường lấy bằng bề rộng cánh cột
4.5.3 Chiều dày bản bụng cột tại chỗ liên kết
Cần kiểm tra chiều dày bản bụng cột tại chỗ liên kết theo điều kiện chịu cắt: w f x v c t 3 VS
Sf – mô men tĩnh của bản cánh cột đối với trục x – x của tiết diện;
Ix – mô men quán tính của tiết diện cột
4.5.4 Tính toán đường hàn liên kết cột và xà ngang với mặt bích
Chiều cao của các đường hàn liên kết cột với mặt bích được tính toán và kiểm tra tương tự như đối với đường hàn liên kết cột với bản đế, sử dụng các công thức (1.115) và (1.116).
Lực kéo trong bản cánh ngoài do mômen và lực dọc: k f f x
(1.125) Vậy chiều cao cần thiết của các đường hàn này là: f yc k w w min c h N l ( f )
Cấu tạo và tính toán chi tiết liên kết nối xà với xà (ở nhịp)
Mối nối xà ngang đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại cấu trúc tại công trường Các đoạn xà ngang được kết nối bằng bản bích và bu lông cường độ cao, tương tự như cách kết nối giữa cột và xà ngang Tùy thuộc vào khoảng cách giữa các bu lông, có thể áp dụng hai cách bố trí khác nhau Khoảng cách tối đa và tối thiểu giữa các bu lông trong liên kết cần tuân thủ quy định của tiêu chuẩn TCVN 5575:2012.
Có thể tham khảo các trị số trong Bảng 1.8
Trình tự tính toán mối nối xà ngang được tiến hành như sau:
- Chọn cặp nội lực nguy hiểm (M, N, V) từ bảng tổ hợp nội lực, thường gặp (M + max, Ntư)
- Chọn loại bu lông phù hợp và căn cứ vào cấu tạo để bố trí trước số lượng bu lông vào liên kết
- Xác định lực kéo tác dụng vào một bu lông (ở dãy biên dưới cùng) do mô men và lực dọc phân vào theo công thức (1.117) Hình 1.55
- Kiểm tra khả năng chịu lực của bu lông liên kết theo (1.118) và (1.119)
- Xác định chiều dày bản bích theo điều kiện (1.130)
- Kiểm tra chiều dày bản bụng xà ngang tại chỗ liên kết theo (1.124)
Tính toán đường hàn liên kết tiết diện xà ngang với mặt bích theo công thức (1.132) và (1.133) cần được thực hiện Việc cấu tạo mối nối xà tương tự như quy trình đã đề cập Do tiết diện xà ngang tại vị trí nối giống như tại đỉnh mái, và nội lực tại chỗ nối xà nhỏ hơn, nên không cần thiết phải tính toán và kiểm tra mối nối.
Bảng 1.8 Khoảng cách bố trí bu lông trong mối nối xà ngang Đường kính bu lông, mm
Khoảng cách bố trí bu lông, mm a1 a2 a3 a4 a5 b1
Hình 1.54 Bố trí bu lông trong mối nối xà ngang t t s b 1 b f h h h
Cấu tạo và tính toán chi tiết liên kết đỉnh xà
Hình 1.56 Chi tiết liên kết đỉnh xà 4.7.1 Tính toán bu lông liên kết
- Trong bảng tổ hợp nội lực, chọn ra cắp nội lực gây kéo nhiều nhất cho các bu lông tại tiết diện đỉnh xà
- Tương tự như trên, chọn cặp bu lông: đường kính và cấp độ bền và bố trí sơ bộ bu lông trong liên kết
- Chọn cặp sườn gia cường cho mặt bích với các kích thước sơ bộ bề dày (ts), chiều cao sườn (hs) bề rộng (ls=1,5hs);
Tại đỉnh xà ngang, nội lực từ mô men, lực dọc và lực cắt phân bổ vào các bulông không tác động dọc theo thân bulông, do đó cần quy đổi các lực tác dụng dọc thân bulông thành phần chiếu lên phương ngang Điều này dẫn đến việc lực kéo tác dụng vào một bulông ở dãy dưới cùng được xác định bởi mô men và lực dọc phân bổ.
Khả năng chịu cắt của một bulông được kiểm tra theo công thức:
4.7.2 Chiều dày của mặt bích
- Lực kéo trong bản cánh dưới do mô men, lực dọc và lực cắt gây ra: k M N cos Vsin
- Chiều dày của mặt bích xác định từ điều kiện chịu uốn:
Ni – lực kéo tác dụng lên một bu lông ở dãy thứ i: i b max i
h (1.131) b – bề rộng của mặt bích, thường lấy bằng bề rộng cánh cột
4.7.3 Chiều dài và chiều cao các đường hàn
Chiều dài tính toán của các đường hàn ở cánh dưới, bao gồm cả sườn, được xác định dựa trên điều kiện cấu tạo và bố trí đường hàn Để xác định chiều cao cần thiết của đường hàn, sử dụng công thức yc k f w w min c h N l ( f ).
- Chiều cao cần thiết của các đường hàn liên kết bản bụng cột với mặt bích: yc f w w min c
Sơ đồ khối tính toán khung ngang
Trên cơ sở nội dung trình bày ở Bài 3 và Bài 4, dưới đây là tổng hợp các bước tính toán khung ngang
Hình 1.57 Sơ đồ khối tính toán khung ngang
Xác định tải trọng Phân tích kết cấu
Kiểm tra sơ bộ chuyển vị
Thiết kế tiết diện dầm, cột Thiết kế chi tiết liên kết
Chọn kích thước tiết diện Chọn sơ đồ kết cấu Chọn vật liệu