Đánh giá hiệu quả giải pháp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong nhà công nghiệp 1 tầng

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP SỬ DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng DD VÀ CN Học viên: LÊ QUỐC PHONG Mã số: 85.80.201 Khóa: K3

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ QUỐC PHONG

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP SỬ DỤNG

KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG

NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ QUỐC PHONG

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP SỬ DỤNG

KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG

NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 85.80.201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Đà Nẵng - Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Người cam đoan

LÊ QUỐC PHONG

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP SỬ DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI

BÊ TÔNG TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng DD VÀ CN Học viên: LÊ QUỐC PHONG

Mã số: 85.80.201 Khóa: K35 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Kết cấu ống thép nhồi bê tông có những ưu điểm như: khả năng chịu lực cao,

chống ăn mòn tốt, tăng độ cứng chống uốn, ổn định hơn vì vậy với những công trình nhà công nghiệp có chiều cao lớn, sức trục lớn, nhịp nhà và bước cột lớn thì việc sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông sẽ là một giải pháp kết cấu hợp lý Tuy nhiên hiện nay kết cấu liên hợp thép

bê tông mới chỉ được ứng dụng vào những công trình như cầu, nhà cao tầng… ở đó cấu kiện cột chịu một lực nén lớn mà chưa được ứng dụng vào các công trình nhà công nghiệp Do đó

để xem xét sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông vào nhà công nghiệp cần có những phân tích đánh giá hiệu quả của nó với những kết cấu truyền thống (chủ yếu là kết cấu thép) Trong luận văn này tác giả chỉ đánh giá hiệu quả việc sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp Kết quả nghiên cứu cho thấy, với đặc điểm của nhà công nghiệp một tầng một nhịp là Lực dọc tác dụng vào cột nhỏ hơn rất nhiều so với khả năng chịu lực của cột, trong khi đó mô men tác dụng rất lớn thì việc sử dụng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông cho hiệu quả không đáng kể so với kết cấu thép truyền thống

Từ khóa: Ống thép nhồi bê tông; nhà công nghiệp, độ cứng, chuyển vị, nén

EFFICIENCY ASSESSMENT OF THE SOLUTION CONCRETE FILLED STEEL

TUBE STRUCTURE IN 1-FLOOR INDUSTRIAL BUILDING

Abstract : Concrete filled steel tube structure has advantages such as: high bearing capacity,

good corrosion resistance, increased bending resistance, more stable so for industrial buildings with high height, large shaft power, with large span, the use of Concrete filled steel tube structure will be a reasonable structural solution However, at present, the concrete steel structure is only applied to constructions such as bridges, high-rise buildings, etc where the column structure is subjected to a large compressive force but has not been applied to industrial buildings Therefore, to consider using concrete steel structure in industrial buildings, it is necessary to analyze and evaluate its effectiveness with traditional structures (mainly steel structures) In this thesis, the author only assesses the effectiveness of the use of steel structure of concrete pipes in 1-storey 1-floor industrial building The research results show that, with the characteristics of a one-stage one-storey industrial house, the vertical force acting on the column is much smaller than the bearing capacity of the column, while the torque is very large, the use of The use of concrete column steel column structure gives negligible effect compared to traditional steel structure

Keywords: Concrete steel pipe; industrial house, hardness, displacement, compression

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

6 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về nhà công nghiệp 3

1.1.1 Các bộ phận cấu tạo nhà công nghiệp 7

1.1.2 Đặc điểm của nhà công nghiệp ảnh hưởng đến giải pháp kết cấu 8

1.2 Các giải pháp kết cấu cho nhà công nghiệp một tầng 9

1.3 Nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông 10

1.4 Khả năng chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông 12

1.5 Kết luận chương 1 13

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG SỬ DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VÀ KẾT CẤU THÉP 14

2.1 Cơ sở thiết kế khung nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông 14

2.1.1 Mặt bằng kết cấu nhà xưởng và các kích thước của khung ngang 14

2.1.2 Xác định tải trọng tác dụng vào khung ngang 17

2.1.3 Nội lực và tổ hợp nội lực 20

2.1.4 Thiết kế cấu kiện cột của kết cấu: 20

2.2 Cơ sở thiết kế khung nhà công nghiệp 1 tầng sử dụng kết cấu thép 25

2.2.1 Các bước thiết kế khung nhà công nghiệp sử dụng kết cấu thép 25

2.2.2 Tính toán cấu kiện cột 26

2.3 Nhận xét về kết cấu ống thép nhồi bê tông và kết cấu thép 32

2.4 Kết luận chương 32

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP KẾT CẤU CFT

TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG 33

3.1 Thiết kế nhà công nghiệp một tầng một nhịp sử dụng kết cấu cột CFT và kết cấu thép 33

3.1.1 Tính toán thiết kế cột nhà công nghiệp sử dụng kết cấu thép 36

3.1.2 Tính toán thiết kế cột nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông 41

3.1.3 Đánh giá độ cứng khung ngang 45

3.2 Đánh giá hiệu quả sử dụng vật liệu 48

3.2.1 Nhận xét về khả năng chịu lực 48

3.2.2 Đánh giá về sử dụng vật liệu 49

3.2.3 Đánh giá về độ cứng kháng uốn của tiết diện 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao)

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu chữ cái và chữ La tinh

CFT Kết cấu ống thép nhồi bê tông

d: Chiều rộng hoặc đường kính ống thép

M: Mô men uốn

MRd: giá trị tính toán mô men bền của tiết diện khi uốn

MSd: giá trị tính toán mô men ngoại lực

N:Lực dọc, số lượng liên kết

PR: Sức bền chịu cắt của liên kết

Q: Hoạt tải

Rd: Sức bền tính toán của tiết diện

Sd: Nội lực tính toán do tải trọng gây ra

fck: Cường độ đặc trưng khi nén của bê tông

fsk: Giới hạn đàn hồi đặc trưng khi kéo của thép thanh

fy: Giới hạn đàn hồi khi kéo của thép kết cấu

h: Chiều cao

3.1 Tổ hợp nội lực cột thép của khung L=24m 37 3.2 Tổ hợp nội lực cột CFT của khung L=24m 42 3.3 Bảng giá trị đương cong tương tác M-N của cột CFT D600 43 3.4 Các cặp nội lực : (Mmax, Ntư); (Mmin, Ntư) ; (Mtư, Nmax) Cột D600 45 3.5 Thống kê chuyển vị đỉnh cột khung theo tải trọng q tác dụng 47 3.6 Tiết diện cột thép và cột CFT trong các trường hợp khảo sát 49 3.7 Tỉ lệ sai lệch diện tích cột thép và cột CFT trong các trường hợp 49 3.8 Độ cứng cột thép và cột CFT trong các trường hợp tính toán 50

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

2.5 Sơ đồ chất tải Dmax, Dmin trên khung 18

2.8 Đường cong tương tác lực nén và mô men uốn 23

2.10 Phương pháp cột liên hợp chịu nén và chịu uốn theo một phương 24

2.13 Biểu đồ quan hệ lực nén và biến dạng 27

3.2 Các tải trọng tác dụng vào khung L=24m 35

3.5 Đồ thị đường cong tương tác M-N của cột CFT D600 45 3.6 Tải trọng q lên khung nhà cột thép 46

3.8 Biểu đồ quan hệ tải q tác dụng và chuyển vị đỉnh cột khung 47

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kết cấu ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled steel Tube – CFT) được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc vì đặc tính của kết cấu này là như: Thép nằm ở chu vi bên ngoài, nơi nó làm việc hiệu quả nhất trong việc chịu kéo và chống lại mô men uốn Độ cứng của CFT được tăng cường đáng kể vì thép có mô đun đàn hồi lớn hơn nhiều so với bê tông và nằm xa trọng tâm, nơi nó đóng góp lớn nhất vào mô men quán tính Bê tông tạo thành một lõi lý tưởng để chịu được tải trọng nén và nó làm trì hoãn, ngăn chặn sự vênh cục bộ của ống thép, đặc biệt

là trong các kết cấu CFT hình chữ nhật Về phương diện thi công kết cấu ống thép nhồi bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngắn được thời gian thi

công xây dựng công trình so với kết cấu bê tông cốt thép

Công trình nhà công nghiệp với chức năng là phục vụ cho sản xuất nhằm tạo ra các sản phẩm Do đó nhà công nghiệp sẽ có những đặc điểm khác biệt so với nhà dân dụng và ảnh hưởng đến các giải pháp kết cấu như: Nhịp nhà và bước khung lớn hơn rất nhiều so với nhà dân dụng Chiều cao cột lớn; Có cầu trục hoạt động; Chiều dài nhà lớn và độ cứng ngang nhà bé hơn nhiều so với phương dọc; Nhiệt độ phát sinh cao do quá trình sàn xuất; Thiết bị có tải tọng lớn và tần số hoạt động lớn

Như vậy với những công trình nhà công nghiệpviệc sử dụng kết cấu liên hợp thép

bê tông sẽ là một giải pháp hợp lý Tuy nhiên hiện nay kết cấu liên hợp thép bê tông mới chỉ được ứng dụng vào những công trình như cầu, nhà cao tầng… ở đó cấu kiện cột chịu một lực nén lớn mà chưa được ứng dụng vào các công trình nhà công nghiệp

Do đó để xem xét sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông vào nhà công nghiệp cần có những phân tích đánh giá hiệu quả của nó với những kết cấu truyền thống (chủ yếu là

kết cấu thép) Đó là lí do để luận văn thực hiện đề tài “ Đánh giá hiệu quả giải pháp

sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong nhà công nghiệp 1 tầng ”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về nhà công nghiệp, kết cấu cột ống thép nhồi bê tông và các giải pháp kết cấu sử dụng trong nhà công nghiệp

- Tính toán thiết kế khung nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp sử dụng hai giải pháp kết cấu CFT và kết cấu thép

- Phân tích, đánh giá hiệu quả của việc sử dụng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông

và kết cấu thép trong khung ngang nhà công nghiệp một tầng một nhịp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp

- Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá hiệu quả giải pháp cột CFT cho khung nhà công nghiệp 1 tầng với kết cấu khung thép

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết quy trình thiết kế nhà công nghiệp 1 tầng sử dụng kết cấu CFT và kết cấu thép

- Phân tích so sánh hiệu quả giải pháp kết cấu CFT cho nhà công nghiệp

5 Kết quả dự kiến

- Tính toán thiết kế công trình cụ thể sử dụng kết cấu CFT và kết cấu thép

- Các phân tích, đánh giá hiệu quả của cột ống thép nhồi bê tông với cột thép trong thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng một nhịp

6 Bố cục đề tài

Mở đầu:

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Kết quả dự kiến

Chương 1 Tổng quan về kết cấu CFT

Chương 2 Cơ sở tính toán thiết kế khung nhà công nghiệp 1 tầng sử dụng kết

cấu ống thép nhồi bê tông và kết cấu thép

Chương 3 Phân tích, đánh giá hiệu quả giải pháp kết cấu CFT trong nhà công

nghiệp 1 tầng

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Trong chương này thực hiện tổng quan về nhà công nghiệp và đặc điểm của nó ảnh hưởng đến giải pháp thiết kế kết cấu Thực hiện tổng quan các giải pháp kết cấu ống thép nhồi bê tông và sự hợp lý trong việc sử dụng kết cấu này trong kết cấu nhà công nghiệp Tổng quan các đánh giá về hiệu quả sử dụng của các kiểu kết cấu ứng dụng trong thực tế xây dựng các công trình dân dụng hiện nay

1.1 Tổng quan về nhà công nghiệp

Nhà công nghiệp 1 tầng là loại hình chiếm tỷ trọng lớn trong lĩnh vực xây dựng Kiểu nhà này thường sử dụng cho các nhà xưởng sản xuất, xí nghiệp, nhà kho công nghiệp dùng trong phân phối, bán lẻ và giải trí Kích cỡ thay đổi từ các xưởng nhỏ chỉ vài trăm mét vuông đến các kho phân phối lớn bao phủ trên một diện tích cả trăm ngàn mét vuông Chức năng của chúng là phục vụ cho sản xuất và người lao động ở trong

đó, nhằm tạo ra các sản phẩm phục vụ cho nhu cầu của xã hội và con người Công nghệ sản xuất – công năng của xí nghiệp sẽ xác định cơ cấu và cấu trúc tổng mặt bằng

xí nghiệp công nghiệp, xác định các thông số xây dựng cơ bản và mặt bằng – hình khối của nhà sản xuất, của các công trình phục vụ kĩ thuật, xác định sơ đồ tổ chức mạng lưới cung cấp kỹ thuật, sơ đồ giao thông vận chuyển của xí nghiệp Hiện nay với

sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu xây dựng, những công trình công nghiệp được thiết

kế phải thỏa mãn cao nhất các yêu cầu của kĩ thuật sản xuất vừa thỏa mãn các khả năng kĩ thuật xây dựng và yêu cầu cao về thẩm mỹ kiến trúc của xã hội

Hình 1.1 Nhà công nghiệp

Với nhà công nghiệp những đặc điểm cần tìm hiểu như sau:

Nhà công nghiệp phải đáp ứng yêu cầu cao nhất yêu cầu chức năng: công nghệ

và thiết bị được bố trí trong tòa nhà phải hợp lý nhất, đáp ứng tốt nhất yêu cầu sản xuất, kinh doanh và tạo được môi trường tiện nghi cho người lao động, giải pháp mặt bằng – hình khối và kết cấu tòa nhà phải đảm bảo thõa mãn yêu cầu thay đổi và hoàn thiện công nghệ, thiết bị sản xuất … mà không ảnh hưởng lớn đên cấu trúc tòa nhà Một yêu cầu quan trọng trong thiết kế kiến trúc là thiết kế điển hình hóa và thống nhất hóa Để có thể sản xuất hàng loạt những thành phẩm xây dựng và xây dựng cơ giới hàng loạt để xây dựng với tốc độ cao chất lượng tốt giá thành hạ cần đi theo con đường công nghiệp hóa xây dựng tức là chuyển ngành xây dựng thành một quá trình sản xuất theo một dây chuyền công nghệ như các ngành công nghiệp khác Để làm cơ

sở cho việc thiết kế hình khối mặt bằng và giải pháp kết cấu nhà công nghiệp và quá trình điển hình hóa và mô đul hóa trong xây dựng, nên tuân theo một số quy định cơ bản như sau:

- Mặt bằng hình khối nên thiết kế dạng chữ nhật mái không chênh lệch nhau

- Nhà công nghiệp một tầng thiết kế với những khẩu độ cùng hướng cùng nhịp L

- Quy định về chiều cao

- Bước cột b = 6m, bước mở rộng 12m tùy khả năng kiến trúc

- Lưới cột nhà công nghiệp và quy định về phân chia trục định vị

Bố trí lưới cột là một bước quan trọng trong quá trình bố trí mặt bằng nhà công nghiệp Khi chọn lưới cột phải căn cứ vào diện tích yêu cầu sản xuất, đặc tính của sản xuất và bố trí thiết bị mà chọn hệ lưới cột hợp lý trên cơ sở so sánh về kĩ thuật và kinh

tế Tham số chủ yếu để thiết kế lưới cột trong mặt bằng xưởng là kích thước của khẩu

độ và bước cột

- Khẩu độ là kích thước tính từ khoảng cách 2 trục phân dọc nhà liên tiếp

- Bước cột là kích thước tính từ khoảng cách 2 trục phân ngang nhà liên tiếp

Để đơn giản cho việc thiết kế và chế tạo các thông số kích thước mặt bằng nhà công nghiệp 1 tầng được quy định như sau:

- Nhịp L >12m lấy bội số 6m: 12, 18, 24m, nhịp L < 12m lấy bội số 3m: 6, 9 m

- Bước cột b =6m hay bước mở rộng bmr = 12m

Theo kinh nghiệm cho thấy lưới cột càng lớn thì diện tích sản xuất càng tăng lên

cho phép bố trí linh hoạt hơn đáp ứng được những yêu cầu của thay đổi kĩ thuật Phân tích lưới cột khác nhau đối với nhiều ngành sản xuất cho thấy lưới cột càng lớn thì tiết kiệm được diện tích sử dụng

Trên cơ sở thiết kế mặt bằng ta tiến hành thiết kế mặt cắt ngang nhằm chọn hệ thống kết cấu, giải quyết không gian nhà, giải quyết vấn đề thoát nước mưa trên mái và thông gió chiếu sáng Đối với nhà công nghiệp một tầng độ cao nhà quy định như sau:

- Với nhà không có cần trục cầu Q hoặc chỉ có cần trục treo thì độ cao nhà tính

từ mặt trên nền cho đến mép dưới của kết cấu mang lực mái

- Với nhà có cần trục cầu Q thì độ cao nhà được tính từ mặt nền cho đến mép trên của ray cầu trục

Việc xác định độ cao nhà căn cứ vào cá yếu tố sau:

- Căn cứ vào độ cao của thiết bị - đây là căn cứ chủ yếu nhất để xác định độ cao nhà Nếu trong 1 gian bố trí nhiều thiết bị có độ cao thấp khác nhau thì lúc xác định độ cao của gian đó phải căn cứ vào độ cao của thiết bị cao nhất

- Căn cứ vào độ cao vận chuyển và lắp ráp thiết bị Đối với các gian xưởng có cần trục để vận chuyển vật liệu, sản phẩm hoặc lắp ráp thiết bị sản xuất trong xưởng (lắp máy) thì cần thêm độ cao cần thiết để cho cần trục có thể hoạt động được

- Căn cứ vào yêu cầu thông gió và chiếu sáng tự nhiên Khi xác định độ cao nhà theo 2 yêu cầu trên cần kiểm tra lại độ cao đó có phù hợp với yêu cầu chiếu sáng và thông gió tự nhiên để chọn độ cao cho hợp lý

Bảng 1.1 Chiều cao nhà công nghiệp một tầng không hoặc có cần trục treo

Nhịp nhà

(m)

Tải trọng cần trục treo (T)

Chiều cao nhà (m)

Theo bội số (m) 6; 9; 12

15; 18

18;24

0.5 ÷ 10 0.5 ÷ 10 0.5 ÷ 10

3.6; 4.8; 5.4; 6 4.8 5.4; 6; 7.2; 10.8; 12.6

0.6

0.6 ÷ 1.2

Trong nhà công nghiệp cầu trục là thiết bị quan trọng để vận chuyển nguyên vật liệu, bán thành phẩm thành phẩm và các thiết bị sản xuất khi lắp ráp hoặc sửa chữa Cần trục hay còn được gọi là cần trục kiểu cầu được sử dụng để vận chuyển hàng hóa theo hai phương ngang, dọc trong nhà công nghiệp một tầng hoặc hỗn hợp Cầu trục

có sức nâng lớn và một móc cẩu có sức nâng nhỏ ( ví dụ: cầu trục có sức nâng 30T có thêm một móc cẩu 5T, có ký hiệu Q = 30/5 T) hoặc hai móc cẩu cùng sức nâng để nâng các vật có kích thước lớn Cầu trục được tạo thành từ ba bộ phận chính:

- Xe nâng có pa lăng điện, móc cẩu (một hoặc hai) – chạy trên cầu theo phương ngang nhà

- Kết cấu chịu lực theo phương ngang kiểu dầm hoặc kiểu giàn, có hệ bánh xe và

mô tơ đẩy chạy theo phương dọc nhà

- Cabin cho người điều khiển

Hình 1.2 Cấu tạo cầu trục

Như vậy, nhà công nghiệp có bố trí cầu trục sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu Tải trọng cầu trục là loại tải trọng lặp, động lực, dễ gây hư hại và hao mòn cho kết cấu Bởi vậy khi thiết kế cần chú ý đến cường độ hoạt động của cầu trục được gọi tên là chế độ làm việc của cầu trục Toàn bộ hệ thống cầu trục chạy trên hai ray được đặt trên mặt dầm cầu chạy tựa lên vai cột dọc nhà và sự làm việc của cầu trục chia theo

ba chế độ sau (không phụ thuộc sức trục):

- Chế độ làm việc nhẹ: Thời gian mở máy ít, rất hiếm khi cẩu vật nặng hết sức tải

Q, có thời gian làm việc chiếm 15 ÷ 25% thời gian ca sản xuất Đó là cầu trục dùng để sửa chữa, lắp đặt thiết bị

- Chế độ làm việc trung bình: Cầu trục của xưởng sản xuất hàng loạt lớn, của nhà kho, xưởng rèn dập, thời gian làm việc này từ 25 ÷ 40%

- Chế độ làm việc nặng: Thời gian làm việc hầu như liên tục, thường xuyên cẩu vật có trọng lượng bằng với sức tải tối đa, thời gian làm việc này từ 40 ÷ 80%

Vật liệu làm khung nhà công nghiệp Nhà công nghiệp hay nhà xưởng trong đó

tiến hành các quá trình sản xuất nên có những đặc điểm riêng khác nhà dân dụng ( Nhịp nhà thường rộng, Chiều cao lớn, Có cầu trục hoạt động) Để tạo nên kết cấu chịu lực của nhà xưởng, hiện nay ở nước ta dùng chủ yếu hai loại vật liệu: Thép; Bê tông cốt thép Việc lựa chọn loại vật liệu dựa trên sự phân tích hợp lý về: Mặt kinh tế - kỹ thuật; Căn cứ vào kích thước nhà; Sức nâng của cầu trục; Các yêu cầu của công nghệ sản xuất và cả vấn đề cung cấp vật tư; Thời hạn xây dựng công trình

Các kiểu hình thức kết cấu cho nhà công nghiệp một tầng:

- Kết cấu nhà có khẩu độ nhỏ: khẩu độ loại này thường là 12m Do độ cao không lớn, tải trọng không lớn nên không cho phép dùng kết cấu thép Thường sử dụng cột gạch hoặc cột bê tông cốt thép Kết cấu chịu lực mái có thể bằng gỗ hoặc bê tông cốt thép dựa vào yêu cầu chịu lửa và độ bền vững của nhà mà quyết định Trong công trình phụ dùng cột gạch hoặc cột bê tông cốt thép, kết cấu chịu lực mái dùng dàn gỗ dạng tam giác

Trong xưởng sản xuất chính nên dùng vật liệu không cháy để làm kết cấu chịu lực và kết cấu bao che Sử dụng kết cấu bê tông cốt thép hoặc kết hợp bê tông cốt thép

và thép

Nhà có khẩu độ lớn: nhà công nghiệp có khẩu độ lớn tính từ mặt nền mép trên ray cầu chạy có thể từ 8 – 30m hoặc cao hơn nữa Khẩu độ từ 18 – 60m hoặc hơn nữa Bước cột 6m mở rộng 12m, đực biệt 18,24m Nhà công nghiệp khẩu độ lớn đơn giản nhất là L = 18-36m Kết cấu chịu lực của nhà này là khung ngang chịu lực sử dụng bê tông cốt thép, thép, bê tông cốt thép hỗn hợp

và lưới cột lớn Loại kết cấu này có thể làm toàn khối hoặc lắp ghép

1.1.1 Các bộ phận cấu tạo nhà công nghiệp

Về cơ bản cấu tạo kiến trúc nhà công nghiệp được phân thành :

- Hệ thống kết cấu chịu lực

- Hệ thống kết cấu bao che

- Hệ thống kết cấu sàn, nền, các kết cấu phụ khác

Hình 1.3 Các bộ phận trong nhà công nghiệp

a) Hệ thống kết cấu chịu lực: bao gồm các kết cấu cơ bản như móng, dầm móng, cột, dầm cầu chạy, kết cấu mang lực mái, kết cấu đỡ sàn, hệ khung chống gió, hệ giằng… Kết cấu chịu lực nhận tải trọng của nhà truyền xuống nền đất

Hệ thống kết cấu chịu lực được phân thành kết cấu chịu lực theo phương đứng (như móng, cột) và theo phương ngang (như kết cấu mang lực mái, dầm cầu chạy, hệ giằng…) Trong một số trường hợp kết cấu có thể chịu lực theo cả phương đứng và phương ngang như kết cấu kiểu vòm

b) Hệ thống kết cấu bao che: là kết cấu giới hạn của không gian của nhà với nhiệm vụ chính là bảo vệ cho công trình khỏi các tác động của điều kiện khí hậu

Hệ thống kết cấu bao che được tựa vào kết cấu chịu lực về vị trí có thể nằm bên trong hoặc bên ngoài cột và kết cấu mang lực mái

Kết cấu bao che được phân thành các kết cấu bao che theo phương đứng (tường, cửa sổ, cửa đi, và cửa mái đứng…) và kết cấu bao che theo phương ngang ( mái, cửa mái nằm ngang)

c) Hệ thống kết cấu sàn, nền và kết cấu phụ khác: kết cấu sàn chỉ có trong nhà công nghiệp nhiều tầng Các kết cấu phụ khác gồm vách ngăn và hệ khung đỡ vách ngăn, hệ sàn công tác, cầu thang…

1.1.2 Đặc điểm của nhà công nghiệp ảnh hưởng đến giải pháp kết cấu

Công trình nhà công nghiệp với chức năng là phục vụ cho sản xuất và người lao động trong đó nhằm tạo ra các sản phẩm phục vụ cho nhu cầu xã hội và con người Do

đó nhà công nghiệp sẽ có những đặc điểm khác biệt so với nhà dân dụng và ảnh hưởng

đến các giải pháp kết cấu Các đặc điểm đó là:

- Nhịp nhà và bước khung lớn hơn rất nhiều so với nhà dân dụng

- Chiều cao cột lớn

- Có cầu trục hoạt động

- Chiều dài nhà lớn và độ cứng ngang nhà bé hơn nhiều so với phương dọc

- Nhiệt độ phát sinh cao do quá trình sàn xuất

- Thiết bị có tải tọng lớn và tần số hoạt động lớn

Như vậy, với những đặc điểm riêng biệt của công trình công nghiệp giải pháp kết cấu phải đảm bảo vượt được nhịp lớn, sử dụng vật liệu ít nhất cũng như các giải pháp tính toán thiết kế đáp ứng sự làm việc của nhà công nghiệp Kết cấu của nhà xưởng có chế độ làm việc nặng hay rất nặng chịu những tác động xung kích liên tục, nên khi thiết kế phải chú ý đảm bảo những yêu cầu đặc biệt về tính toán và cấu tạo quy định trong quy phạm

1.2 Các giải pháp kết cấu cho nhà công nghiệp một tầng

Kết cấu chịu lực nhà công nghiệp một tầng rất đa dạng Việc lựa chọn dạng kết cấu chịu lực nhà công nghiệp một tầng phải dựa trên những yêu cầu và đặc điểm của công nghệ sản xuất, khả năng làm việc của vật liệu, lưới cột và thiết bị vận chuyển cần thiết trong nhà, yêu cầu tổ chức chế độ vi khí hậu trong phòng, yêu cầu về thẩm mỹ kiến trúc và kinh tế xây dựng…Kết cấu nhà công nghiệp cũng như nhà dân dụng khi thiết kế phải đáp ứng được độ bền, độ cứng và tuổi thọ theo thiết kế Thuận tiện cho việc lắp đặt các thiết bị máy móc và đảm bảo hiệu quả kinh tế (người thiết kế cần chọn giải pháp kết cấu hợp lý, chọn loại vật liệu phù hợp, tận dụng tối đa tính công nghiệp hóa và định hình hóa trong các giai đoạn thiết kế, gia công chế tạo, thi công lắp dựng kết cấu)

Hiện nay, kết cấu khung phẳng bằng bê tông cốt thép, thép hoặc hỗn hợp được sử dụng phổ biến nhất trong xây dựng công nghiệp do chúng có khả năng chịu lực tốt, thiết kế, chế tạo và thi công đơn giản khả năng công nghiệp hóa cao Loại kết cấu này được hình thành từ các khung ngang (móng, cột, xà ngang) và các kết cấu giằng dọc Các khung ngang được liên kết với nhau bằng các hệ giằng dọc tạo nên một hệ khung chịu lực ổn định

- Khung bê tông cốt thép nhà công nghiệp một tầng có nhiều dạng khác nhau có thể toàn khối hoặc lắp ghép, có thể sử dụng cầu trục hoặc không song phổ biến nhất là khung lắp ghép với các cấu kiện điển hình - thống nhất Chúng được sử dụng khá rộng rãi do thiết kế, chế tạo, thi công đơn giản đáp ứng yêu cầu công nghiệp hóa xây dựng Loại khung này có thể đáp ứng mọi hình dáng yêu cầu của công nghệ và kiến trúc, nhưng đặc biệt hợp lý và kinh tế khi nhịp nhà <18m với sơ đồ đơn giản

- Khung thép: Nhà có độ cao lớn, nhịp rộng, bước cột lớn, cầu trục nặng - Do thép có tính năng cơ học cao

Nhà có cầu trục hoạt động liên tục (chế độ làm việc nặng hay rất nặng ) - Vì kết cấu thép làm việc chịu tác động lặp của tải trọng động lực được an toàn đảm bảo hơn các loại kết cấu khác

Nhà trên nền đất lún không đều, vì kết cấu thép vẫn chịu lực tốt trong điều kiện móng lún không đều

Khi xây dựng tại những vùng xa, điều kiện vận chuyển đến khó khăn Kết cấu thép nhẹ, dễ vận chuyển

Khi cần xây dựng nhanh, sớm đưa công trình vào sử dụng

Ngoài ra kết cấu thép còn một số ưu điểm khác khi áp dụng vào nhà công nghiệp như: Làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao (dưới 200 độ) tốt hơn so với bê tông cốt thép

Ít bị hư hại do các tác động cơ học

Tiện liên kết các thiết bị, đường ống

Dễ gia cố khi tải trọng tăng hoặc khi bị hư hại

Xét riêng về mặt tiết kiệm vật liệu, kết cấu khung toàn thép áp dụng có lợi khi: Nhà xưởng cao (chiều cao lòng nhà H>=15m, nhịp L rộng L>=24m ) Bước cột

B lớn (B>=12m , cầu trục nặng (Q>=50t )

1.3 Nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông

Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFT) được sử dụng phổ biến trong kết cấu nhà

cửa ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc Kết cấu ống thép nhồi bê

tông là một dạng kết cấu hỗn hợp gồm ống thép và lõi bê tông cùng làm việc Bê tông được đổ trong lòng ống và quá trình đông cứng chặt bê tông trong ống thép sẽ tạo thành một kết cấu liên hợp chịu lực chung Trong đó ống thép có tác dụng như là một

vỏ bao ngoài bọc chặt bê tông Ống thép có thể có nhiều dạng tiết diện, có thể tròn hoặc đa giác kín Cường độ bê tông có thể mác trung bình hoặc mác cao

Ưu điểm của kết cấu này là: Độ bền của lõi bê tông (lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo bọc chặt bên ngoài) đã được tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tông thường;

Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ưu cường độ và độ cứng của cấu kiện Cốt thép được phân bố ở chu vi ngoài cùng của tiết diện nên phát huy hiệu quả làm việc cao nhất khi chịu mô men uốn Bê tông tạo một lõi lý tưởng để chống lại tải trọng nén trong quá trình làm việc, trì hoãn và chống lại sự bất ổn định cục bộ của ống thép đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật Ngoài ra, ống thép cản trở biến dạng nở hông của lõi bê tông làm tăng cường độ chịu nén và độ dẻo

dai đối với cấu kiện CFT;

Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên trong ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp méo của vỏ ống thép khi va đập;

Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tương tự làm bằng kết cấu bê tông cốt thép hay kết cấu thép thông thường Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn

so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn ít hư hỏng do va đập Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn

Tuy nhiên, kết cấu này vẫn còn những nhược điểm như: chưa hiểu rõ sự tương

tác giữa hai vật liệu gây khó khăn trong việc xác định thuộc tính kết hợp như mô men quán tính, môdul đàn hồi; chi tiết liên kết giữa cột CFT và sàn bê tông cốt thép, dầm

bê tông cốt thép hay dầm thép tương đối phức tạp Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ do đó gây ra không ít những khó khăn cho tính toán thiết kế cấu tạo liên kết;

Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFT tiếp tục được nghiên cứu để dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng như nhận thức sâu hơn về ứng xử của loại kết cấu này

So với kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu bê tông cốt cứng, loại kết cấu này có những điểm vượt trội hơn hẳn:

– Có tính dẻo tốt hơn BTCT vì sự làm việc gần như đồng thời vỏ thép và lõi bê tông nên khả năng kháng chấn của công trình tốt hơn BTCT

– Khắc khục được tính dòn lớn của bê tông cường độ cao do bê tông bị gò chặt trong ống thép

– Có khả năng chịu mài mòn ở vỏ thép và va đập tốt hơn Trị số biến dạng co ngót theo chiều dọc của mẫu cách ly là rất nhỏ

– Trong kết cấu không có cốt thép dọc hay cốt thép đai, do đó quá trình thi công thuận tiện hơn và độ chặt sít bê tông đảm bảo hơn

– Việc duy tu bảo dưỡng đơn giản vì nếu hỏng lớp sơn chống rỉ mặt ngoài vỏ thép thì chỉ cần sơn bảo vệ lại Do vậy đảm bảo tính bền vững không bị xâm thực phá hoại trực tiếp như kết cấu bê tông cốt thép thuần tuý

– Có thể giảm đến gần nửa kích thước tiết diện, tăng không gian sử dụng, giảm

tải trọng bản thân, do đó có thể vượt khẩu độ nhịp lớn và hiệu quả cao về mặt kinh tế

kỹ thuật

Như vậy, qua tổng quan có thể thấy được những đặc tính ưu việc của kết cấu bê tông cốt thép so với các loại kết cấu khác Những ưu thế này đảm bảo việc ứng dụng rộng rãi và linh hoạt kết cấu này trong xây dựng hiện đại Tuy nhiên, hiện nay việc sử dụng các kết cấu này vào trong thực tế còn nhiều khó khăn do chưa có các chỉ dẫn thiết kế cụ thể đặc biệt là trong các công trình vượt nhịp lớn như nhà công nghiệp trong điều kiện Việt Nam Do đó cần thiết lập một trình tự tính toán thiết kế theo các tiêu chuẩn hiện hành để thiết kế nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông là cần thiết nhằm ứng dụng kết cấu này vào trong thực tế xây dựng

1.4 Khả năng chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông

Hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông là một hệ thống gồm các cấu kiện chịu lực chính là các ống thép được nhồi đặc bằng bê tông cường độ cao hoặc trung bình

Hệ thống kết cấu CFT có nhiều ưu điểm về độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng và khả năng chống cháy Nói chung loại kết cấu này được nghiên cứu áp dụng cho rất nhiều loại công trình xây dựng nhà dân dụng, công nghiệp cũng như công trình cầu đường, các dạng công trình kỹ thuật khác và đang được các nước đang rất quan tâm

Khác với loại ống thép bình thường, ống thép nhồi bê tông chỉ hiệu quả khi chịu nén, còn về khả năng chịu kéo thì nó nhỏ hơn nhiều và tương tự kết cấu bê tông cốt thép Do đó trong một hệ thống chịu lực ta nên chọn kết cấu ống thép nhồi bê tông làm các cấu kiện chịu nén, tuy nhiên trong một số trường hợp cũng có thể dùng làm cấu kiện chịu kéo vì một số lý do như: Để chống gỉ cho mặt trong ống thép hoặc tăng độ cứng chống uốn

Các kết cấu ống thép nhồi bê tông dùng trong xây dựng thường là kết cấu cột liên hợp, đó là cấu kiện chỉ chịu nén dọc trục Nhưng trong thực tế cột không những chịu nén mà còn chịu uốn do lực nén đặt lệch tâm Tiêu chuẩn chung của cột liên hợp là phần tử thép có tác động liên hợp với phần tử bê tông, vì vậy cả 2 phần tử thép và bê tông đều tham gia kháng lại lực nén, vỏ thép có tác dụng chịu kéo và chịu mô men uốn của cột Các dạng lõi bê tông lý tưởng có tác dụng chống lại tải trọng nén và cản trở trạng thái oằn cục bộ ống thép Vì vậy nên sử dụng cấu kiện cột bằng ống thép nhồi bê tông ở những vị trí chịu lực nén lớn, sự giãn nở bị động của thành bên được tạo ra bởi ống thép làm tăng cường độ, tính mềm dẻo, biến dạng của bê tông

Có thể so sánh các kết cấu: bê tông cốt thép thường (RC), bê tông cốt thép thường có lõi là cốt thép cứng (SRC), kết cấu thép (S), kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFT) như sau:

Bảng 1.2 So sánh đặc điểm 1 số loại cấu kiện chịu nén

1.5 Kết luận chương 1

Trong chương 1 đã thực hiện tổng quan về nhà công nghiệp cũng như các đặc điểm khác biệt của nhà công nghiệp so với nhà dân dụng ảnh hưởng đến giải pháp thiết kế kết cấu

Luận văn cũng giới thiệu kết cấu ống thép nhồi bê tông Những đặc tính tốt của loại kết cấu này rất phù hợp cho việc ứng dụng vào các công trình nhà công nghiệp bên cạnh kết cấu truyền thống (kết cấu thép, BTCT) Tuy nhiên để áp dụng vào trong thực tế thiết kế còn gặp khó khăn khi chưa có những đánh giá về mức độ hiệu quả của kết cấu ống thép nhồi bê tông sử dụng trong nhà công nghiệp so với kết cấu truyền thống Chương 2 và chương 3 của luận văn sẽ trình bày cụ thể trình tự thực hiện thiết

kế nhà công nghiệp một tầng sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông và kết cấu thép cùng với đó là các so sánh đánh giá để cung cấp có những hiểu biết về việc sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong nhà công nghiệp

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP

1 TẦNG SỬ DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VÀ

KẾT CẤU THÉP

Như trình bày ở Chương 1 cho thấy kết cấu ống thép nhồi bê tông có những ưu điểm như: khả năng chịu lực cao, chống ăn mòn tốt, tăng độ cứng chống uốn, ổn định hơn vì vậy với những công trình nhà công nghiệp có chiều cao lớn, sức trục lớn, nhịp nhà và bước cột lớn thì việc sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông sẽ là một giải pháp tốt Tuy nhiên hiện nay kết cấu liên hợp thép bê tông mới chỉ được ứng dụng vào những công trình như cầu, nhà cao tầng… ở đó cấu kiện cột chịu một lực nén lớn mà chưa được ứng dụng vào các công trình nhà công nghiệp Do đó để xem xét sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông vào nhà công nghiệp cần có những phân tích đánh giá hiệu quả của nó với những kết cấu truyền thống (chủ yếu là kết cấu thép) Trong luận văn này tác giả chỉ bàn đến việc sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông trong nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp Nhằm làm cơ sở cho việc tính toán và đánh giá hiệu quả của kết cấu ống thép nhồi bê tông trong nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp ở chương này tác giả xin trình bày hai giải pháp kết cấu là kết cấu thép và kết cấu ống thép nhồi bê tông cũng như lý thuyết tính toán cụ thể cho mỗi trường hợp này

2.1 Cơ sở thiết kế khung nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông

Các bước thiết kế kết cấu thép khung nhà công nhiệp 1 tầng 1 nhịp

2.1.1 Mặt bằng kết cấu nhà xưởng và các kích thước của khung ngang

2.1.1.1 Mặt bằng kết cấu nhà xưởng:

Từ nhiệm vụ thiết kế vẽ mặt cắt ngang nhà xưởng và lập mặt bằng các kết cấu chính của nhà xưởng (Khung, Cột, Dầm cầu trục, )

Hình 2.1 Mặt cắt ngang nhà

Hình 2.2 Mặt bằng nhà

2.1.1.2 Xác định các số liệu tính toán

- Với cầu trục có sức trục Q ta xác định được các số liệu sau:

+ Khoảng cách từ đỉnh ray đến đỉnh xe con của cầu trục là: K1

+ Khoảng cách tối thiểu từ tim ray đến mặt trong của cột trên là: Zmin

+ Khoảng cách từ trục định vị đến mặt ngoài của cột là: a

- Với Q và L ta xác định được các số liệu sau:

+ Nhịp cầu trục: Lcc= S

+Khoảng cách từ tim ray đến trục định vị (λ) : λ = (L- Lcc)/2

- Khoảng cách từ đỉnh xe con đến đỉnh cột trên (mặt dưới cùng của kết cấu xà nằm ngang hoặc mặt trần nhà): Khi nhà có 2 mái dốc cho mỗi nhịp

Trường hợp xà ngang là dầm mái hoặc vì kèo cánh song song có:

+ Chiều cao cột trên: Htr = K1 + hdcc + hr+ ∆a

+ Chiều cao cột dưới: Hd = H1 - hdcc - hr + hch

+ Chiều cao toàn cột: H = Htr + Hd

- Chọn tiết diện cột

+

y f t

.90

Khung ngang nhà

Mặt cắt C-C

Hình 2.3 Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông

- Chọn kích thước vai cột: là một công xôn ngắn tiết diện chữ I

+Bề cao tiết diện vai cột: hv ≥ λ – h

+ Chiều rộng vai cột chọn theo bề rộng của cột

2.1.1.4 Kích thước chính của dầm mái và kết cấu cửa mái

Dầm mái tiết diện đặc dạng chữ I Dầm được chia thành 4 đoạn lắp ghép, 2 đoạn

ở 2 đầu (liên kết với cột) có tiết diện thay đổi, 2 đoạn giữa có tiết diện không thay đổi

- Nhịp của dầm mái: Ld = L + 2a – h (nhịp tính toán của dầm cũng là nhịp tính toán của khung, Ld = Lk= Ltt)

- Chiều dài nhịp đoạn dầm tiết diện thay đổi

Ld1 ≈ (0,35 ÷ 0,4)L/2

- Tiết diện dầm mái

+ Bề cao tiết diện dầm tại nách khung: hd1 ≥ L/40

+ Bề cao tiết diện đoạn giữa: hd2 ≥ 0,6hd1

+ Bề rộng bản cánh: bd = (0,2 ÷ 0,5)hd1 ; bd ≥ 180 mm

+ Bề dày bản cánh và bản bụng : tw = (1/70 ÷ 1/100)hd , tw ≥ 8 mm,

tf ≥ bd /30; tf ≥ tw ; tf ≤ 60 mm

- Kết cấu cửa mái: Khi chỉ thông gió tự nhiên, không cần chiếu sáng tự nhiên Hcm

, Lcm lấy như sau

+ Chiều cao kết cấu cửa mái : Hcm = (1000 ÷ 1500) mm

+ Nhịp kết cấu cửa mái : Lcm = (1/5 ÷ 1/3)L

+ Độ vươn công xôn của dầm cửa mái: La ≥ 500 mm

+ Tiết diện của kết cấu cửa mái (cột và dầm): Dùng thép hình chữ I

+ Độ dốc thoát nước mái: Mái lợp tôn, độ dốc thoát nước thường chọn i≥ 0,175 Chọn i = tgα, có góc nghiêng của mái là α (nên chọn i = 0,2)

+ Chiều cao mái: Chiều cao từ điểm giao cánh trên dầm mái với cánh ngoài cùng

của cột đến đỉnh trên cùng của dầm mái là

2.1.1.5 Hệ giằng của nhà xưởng

 Hệ giằng của kết cấu dầm mái

 Hệ giằng cột

 Hệ giằng của hệ KC giàn mái

2.1.2 Xác định tải trọng tác dụng vào khung ngang

Tải trọng xác định theo tải trọng tiêu chuẩn

 Tĩnh tải

- Tĩnh tải mái:

+ Trường hợp xà ngang là dầm mái: Đưa về tải phân bố đều trên dầm mái g

gc= (g1 + g2 ).B

+ Trường hợp xà ngang là giàn mái: Đưa về tải tập trung tại nút giàn mái G

Gc= gcd1; G =gd1 (lưu ý: tải ở nút biên = gd1/2)

Trong đó : g1 là trọng lượng tôn lợp, xà gồ: g1 = (0.1 ÷ 0.15) kN/m2

g2 là trọng lượng bản thân kết cấu, hệ giằng mái lấy gần đúng: g2 = (0.1 ÷ 0.2) kN/m2

+ Khi xà ngang là dầm mái p = pc.B.cosα = 0.75.B.cosα (kN/m)

+ Khi xà ngang là giàn mái, các P đặt vào các nút giàn P=pd (daN);

(tải ở nút biên = pd/2)

 Hoạt tải cầu trục:

Từ sức trục Q , nhịp cầu trục Lcc tra bảng số liệu về cầu trục (bảng 4.2 phụ lục 4 sách ‘Thiết kế khung thép nhà công nghiệp’) có :

- Áp lực bánh xe lên ray: Pmax= Rmax; Pmin = Rmin

- Bề rộng cầu trục Bct= 2LK

- Số lượng bánh xe một bên cầu trục n0 = 2

- Khoảng cách hai bánh xe cầu trục R

- Trọng lượng xe con của cầu trục Gxecon

 Xác định áp lực thẳng đứng của cầu trục lên vai cột (Dmax Dmin): (Xem sách

‘Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp’ trang 15, 16)

Hình 2.4 Đường ảnh hưởng phản lực gối tựa

∑yi= y1+y2+y3+y4

Dmax = nc.Pmax.∑yi = 0,85.Pmax ∑yi

Dmin = nc.Pmin ∑yi = 0,85.Pmin ∑yi

Hình 2.5 Sơ đồ chất tải D max , D min trên khung

 Xác định lực xô ngang T vào cột do lực hãm của xe con: (Xem sách ‘Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp’ trang 16, 17;

T1 = 0,05.(Q + Gxecon)/n0

T =nc.T1 ∑yi = 0,85.T1 ∑yi

(Lực T đặt tại vị trí trên cột cách trục vai cột một đoạn hv/2+hdct)

Hình 2.6 Sơ đồ tải xô ngang T trên khung

 C là hệ số khí động, xác định theo hình khối của nhà

 W0: Tải gió tiêu chuẩn (tra bảng)

Hình 2.7 Các hướng gió tính toán

a) Gió ngang nhà; b) Gió dọc nhà

“Thiết kế khung thép nhà công nghiệp” có được hệ số độ cao của tải trọng gió ở cột và mái là: kcột; kmái

Đối với xà ngang là giàn mái, tải trọng gió trên mái là các lực tập trung Qmi

vuông góc với mặt mái đặt tại nút giàn: Qmi = qmid1 (tải ở nút biên = qmid1/2, d1 là khoảng cách bố trí xà gồ trên mặt mái)

2.1.3 Nội lực và tổ hợp nội lực

2.1.3.1 Nội lực

- Sử dụng phần mềm sap2000 V20 phân tích kết cấu khung, cho kết quả là giá trị nội lực của cấu kiện cột, xà theo các trường hợp tải trọng riêng biệt Lấy kết quả nội lực tại các tiết diện đặc biệt của khung:

- Tại cột: tiết diện chân cột (ký hiệu là tiết diện A), đỉnh cột (ký hiệu là tiết diện B), tiết diện phía trên vai cột (ký hiệu là tiết diện Ctr) và dưới vai cột (ký hiệu là Cd)

- Tại xà: tiết diện hai đầu và giữa xà, tiết diện thay đổi

2.1.3.2 Tổ hợp nội lực:

Theo tiêu chuẩn Eurocode 4

- Tổ hợp gây mô men dương lớn nhất Mmaxvà lực nén, lực cắt tương ứng Ntư, Vtư;

- Tổ hợp gây mô men dương nhỏ nhất Mminvà lực nén, lực cắt tương ứng Ntư, Vtư;

- Tổ hợp gây lực dọc lớn nhất Nmax và mô men, lực cắt tương ứng Mtư, Vtư;

2.1.4 Thiết kế cấu kiện cột của kết cấu:

Dựa vào tiêu chuẩn Eurocode 4 để thiết kế cột

Có hai phương pháp tính toán:

 Phương pháp thứ nhất là phương pháp tổng quát, yêu cầu tính đến ảnh hưởng của sự làm việc phi tuyến và sự chế tạo không chính xác Phương pháp này có thể áp dụng cho tiết diện không đối xứng và cột có tiết diện thay đổi Cách tính dùng phương pháp số và được tính toán theo một chương trình tính toán riêng mà tiêu chuẩn thiết kế không nêu

 Phương pháp thứ 2 là cơ sở để thành lập tiêu chuẩn thiết kế của một số nước châu Âu trước khi thành lập tiêu chuẩn chung và sau đó cũng chính là Eurocode Phương pháp này sử dụng đường cong của cột thép có kể đến sự chế tạo không chính xác được thống nhất giữa các nước gọi là đường cong uốn dọc châu Âu Chúng được giới hạn cho cột có tiết diện không đổi và có hai trục đối xứng

- Giả thiết cả hai phương pháp trên là:

+Tương tác giữa thép và bê tông là hoàn toàn cho đến khi cột bị phá hoại

+ Sự chế tạo không chính xác về hình học và kết cấu được kể đến trong tính toán +Tiết diện ngang luôn phẳng khi cột bị biến dạng

* Điều kiện ổn định cục bộ lõi thép

y f t

.90

f : là giới hạn đàn hồi của thép

a Thiết kế cột chịu nén đúng tâm

- Theo điều kiện bền – phương pháp tính đơn giản

+ Khả năng chịu nén tối đa của cấu kiện ống rỗng nhồi bê tông:

s

sk s c

ck c Ma

y a Rd

pl

f A

f A

f A N

- Theo điều kiện ổn định

+ Lực tới hạn Ncr của cột được tính như sau:

 (EI)c độ cứng của cột liên hợp

 l: chiều dài tính toán của cột tách ra từ kết cấu, với kết cấu khung nút cứng có thể bằng chiều dài hình học L

 Với tải trọng ngắn hạn thì lấy:

E E





Ecm là mô đun đàn hồi ban đầu của bê tông

c

 là hệ số an toàn khi tính độ cứng của bê tông; c  1 35

 Với tải trọng dài hạn thì lấy:

Trong công thức trên thay Ecd bằng Ec

c

N

N E

E 1 0.5 ,

Trong đó NG,Sd là nội lực do tải dài hạn gây nên của NSd

Việc điều chỉnh mô đun đàn hồi chỉ cần thiết nếu độ mảnh  theo phương mặt phẳng uốn đang xét vượt quá 0.8/(1-δ) và e/d<2 (e là độ lệch tâm)

 Độ mảnh quy đổi trong mặt phẳng uốn đang xét

cr

R pl N

N ,





Trong đó: Npl,R là giá trị của Npl,Rd khi các hệ số Ma, c, s lấy bằng 1

Khả năng chịu lực của cột liên hợp theo điều kiện ổn định:

Cột liên hợp có khả năng chịu uốn dọc đối với cả 2 trục nếu :

Rd pl

5

b Thiết kế cột chịu nén lệch tâm, nén uốn theo phương pháp chung đơn giản

Tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực của cột đối với từng trục đối xứng Khả năng chịu lực của cột dưới tác dụng của mô men và lực dọc được xác định theo đường cong tương tác M – N.Trên đường cong thể hiện các giới hạn:

 Điểm A: Khả năng chịu nén

Rd pl

f A N

ck C Rd

pm D

f A N

N





2

1 2

s ps a

y pa D

f W

f W

f W



Trong đó:   1 đối với cột rỗng nhồi bê tông

Wpa ; Wps ; Wpc lần lượt là mô đun chống uốn dẻo của lõi thép, cốt thép thanh và bê tông tương ứng với điểm đang xét

Hình 2.8 Đường cong tương tác lực nén và mô men uốn

* Ảnh hưởng của phân bố mô men

Khi tính toán giả thiết của phương pháp đơn giản là kết cấu cứng nhưng không thể bỏ qua ảnh hưởng của phi tuyến hình học làm tăng mô men trong cột khi tính theo tuyến tính Tức là phân tích sự làm việc của cột khi kể đến hiệu ứng bậc hai

- Điều kiện cần kiểm tra cột khi tách ra từ kết cấu cứng khi:

1 0

Ảnh hưởng của sự phi tuyến được tính đến một cách đơn giản bằng cách nhân giá trị của mô men tính được theo phân tích tuyến tính với hệ số k

0 1 1

với   0 66  0 44r và   1 nếu có tải trọng ngang tác dụng

vào thân cột

* Ảnh hưởng của lực cắt

Khi tính toán xem lực cắt là do cột thép chịu

Khi tính toán ảnh hưởng của lực cắt đến khả năng chịu uốn của cột thì sử dụng đường cong M-V tương tự dầm

* Khả năng chịu lực của cột liên hợp chịu nén và chịu uốn theo một phương

Hình 2.10 Phương pháp cột liên hợp chịu nén và chịu uốn theo một phương

Theo biểu đồ khi thanh chỉ chịu lực dọc dựa theo đường cong ta tìm được lực tới hạn thực tế tương ứng với giá trị ᵡ Với lực nén bằng hoặc lớn hơn N pl,Rdkhông thể tác dụng moomen lên cột liên hợp được nữa Gía trị tương ứng của mômen uốn (k)là giá trị lớn nhất của mô men uốn bậc hai do sai số hình học gây nên dưới tác dụng của lực dọc N pl,Rd(thực chất đây là lượng mô men bị giảm đi do ảnh hưởng của sai số hình học) Sự giảm mômen này theo giả thiết tuân theo quy luật bậc nhất theo đường thẳng OB Do sự khác nhau về phân bố mô men nên lấy chung là giảm theo quy luật của đường thẳng n B Ứng với d nào đó của lực dọc N Sd ta sẽ có giá trị của mô men tính toán tương ứng là M pl,Rd;  

n

n d k

Trong đó : NRd: Khả năng chịu nén dọc trục tính toán của cột

Npl,Rd : Khả năng chỉ chịu nén dọc trục tối đa của cột (theo điều kiện bền)

MRd : Khả năng chịu mô men tính toán của cột

Mpl,Rd : Khả năng chỉ chịu mômen tối đa của cột

Npl,Rd: Khả năng chỉ chịu nén dọc trục thực tế của cột khi kể đến các sai số hình học và độ mảnh  là thông số thể hiện khả năng chịu uốn dọc của cột khi chỉ có lực nén dọc trục

Rd pl

Sd d

 : Thông số thể hiện giá trị của NRd ứng với khả năng chịu mô men lớn nhất

của tiết diện:

Hình 2.11 Sự phân bố mô men trên cột

Thực tế khi tính toán thì lấy mô men bền tính toán tiết diện ngang:

Rd pl

M  0 9 , và giá trị của mô men tính toán M Sd M Rd

+ Đường cong bền M-N được xác định khi xem tiết diện chảy dẻo hoàn toàn dưới tác dụng của lực nén và mô men nhưng thực tế thì không phù hợp hoàn toàn + Mô men M Sd được xác định khi xem tiết diện không bị nứt nhưng thực tế khi moomen đủ lớn thì sẽ làm cột xuất hiện vết nứt dẫn đến ảnh hưởng đến độ cứng

 Từ hai yếu tố trên nên hệ số 0.9 được kể đến

2.2 Cơ sở thiết kế khung nhà công nghiệp 1 tầng sử dụng kết cấu thép

- Kết cấu thép là một loại kết cấu được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, đặc biệt được dùng nhiều trong các công trình nhà công nghiệp, nhà xưởng…Việc thiết kế kết cấu đòi hỏi đảm bảo về yêu cầu khả năng chịu lực, quá trình thi công thuận lợi lẫn vấn đề kinh tế đặt ra

2.2.1 Các bước thiết kế khung nhà công nghiệp sử dụng kết cấu thép

- Các bước thiết kế khung chịu lực nhà công nghiệp 1 tầng tương tự như kết cấu

liên hợp bê tông, tuy nhiên vẫn có một số yếu tố khác nhau như:

2.2.2 Tính toán cấu kiện cột

2.2.2.1 Tính toán cấu kiện cột chịu nén đúng tâm

 Đối với thanh ngắn chịu nén đúng tâm

Hình 2.12 Thanh ngắn chịu nén đúng tâm

- Khi chịu nén đúng tâm, thanh ngắn không bị cong, chỉ bị lùn đi và bị chảy dẻo

- Thanh ngắn có chiều dài không lớn quá khoảng 5 lần bề rộng tiết diện

- Kiểm tra theo trạng thái giới hạn 1:

c n

f A

   N A n.f.c  N

Trong đó: A n: là diện tích thực của tiết diện đã trừ đi các giảm yếu

f : là cường độ tính toán của vật liệu thép (tính theo giới hạn chảy hay giới hạn bền)

c

 : là hệ số điều kiện làm việc của cấu kiện (xét đến điều kiện làm việc thực tế)

- Kiểm tra theo trạng thái giới hạn 2: thì thỏa mãn

 Đối với thanh dài chịu nén đúng tâm

- Khi tăng lực nén N đến một giá trị nào đó thì cấu kiện sẽ bị cong theo phương

I E

N cr 



l0 .l

Trong đó:

E là mô đun đàn hồi

I là mô men quán tính của tiết diện

0

l là chiều dài tính toán của cấu kiện

l là chiều dài hình học của cấu kiện

là hệ số chiều dài tính toán phụ thuộc vào đặc điểm liên kết ở 2 đầu thanh

Ứng suất tới hạn để cấu kiện không bị mất ổn định tổng thể

2 2 2 0

2 2

0

2

E A

l

I E A

i là bán kính quán tính của tiết diện

A là diện tích tiết diện nguyên

* Theo điều kiện ổn định tổng thể:

c c

e cr c e

f A

53 5 0275 0 3 27 371 0

13 47

f E

f

- Khi  4.5thì

.51

332

2.2.2.2 Tính toán cấu kiện chịu nén uốn

* Tính toán cấu kiện chịu nén uốn trường hợp tiết diện không đổi

- Trong khung, cột chịu nén lệch tâm được kiểm tra về ổn định trong và ngoài mặt phẳng khung cho riêng từng phần cột và cho toàn bộ cột

 Chọn kích thước cột

 Chọn kích thước cột theo phương đứng

- Chiều cao cột dưới: Hd= H1-(hdct+hr)+hch

Trong đó: H1 là cao trình đỉnh ray

hdct là chiều cao dầm cầu trục

hr là chiều cao ray

hch là chiều sâu chôn chân cột

- Chiều cao cột trên:

 Chọn kích thước cột theo phương ngang

- Chiều cao tiết diện: h )H

15

1 10

- Chiều dày bản cánh tf chọn trong khoảng (1/28÷1/35)b

 Kiểm tra tiết diện cột

- Cột chịu nén lệch tâm, tiết diện đối xứng Nội lực lớn nhất M, N, V

Bảng 2.1 Kích thước hình học tiết diện cột

Chiều cao tiết

+ Trong mặt phẳng khung lx: cho phép tính lx=µ.H với hệ số chiều dài tính toán µ

(Bảng 5.4), phụ thuộc vào tham số:

xà

c

I H

I b GT

.

.



Trong đó: b, H - chiều dài nửa xà, chiều cao cột

Ιc, Ιxà mô men quán tính của cột và xà (lấy ở tiết diện cách nút khung 0,4b) + Chiều dài tính toán cột ngoài mặt phẳng uốn ly lấy bằng khoảng cách hai điểm ngăn cản chuyển vị cột theo phương ngoài mặt phẳng uốn, tức là khoảng cách 2 điểm giằng cột

- Kiểm tra điều kiện khống chế độ mảnh:

  ;

E

f y



So sánh max(x;y) với [] nếu max(x;y)  [] thì thỏa mãn không thì phải tính lại

- Kiểm tra điều kiện bền

Độ lệch tâm tương đối:

x

W

A N

M e



- Độ lệch tâm tính đổi: m e .m; Hệ số η kể đến ảnh hưởng hình dạng của tiết diện lấy theo bảng D.9 phụ lục D TCXDVN 338:2005 Nếu me>20 thì cần kiểm tra theo điều kiện bền c

x n

f W

M A

    còn me<20 thì không cần kiểm tra theo điều kiện bền

- Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể trong mặt phẳng khung

Với me>20 do đó cần kiểm tra ổn định tổng thể như với cấu kiện chịu uốn (mômen M) thì kiểm tra theo điều kiện sau:

c c

b

f W

  .

Tính b theo phụ lục E, TCXDVN 338:2005 (phụ thuộc hệ số α và hệ số )