Ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong thiết kế nhà công nghiệp 1 tầng

TÓM TẮTỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG THIẾT KẾ NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG Học viên: Nguyễn Thanh HùngChuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN Mã số: 8580201, Khóa: K3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TÓM TẮT

ỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG THIẾT KẾ

NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG

Học viên: Nguyễn Thanh HùngChuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số: 8580201, Khóa: K35 Đà Nẵng, Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - 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… Đặc tính của kết cấu này là độ cứng lớn, cường độ cao, độ dẻo và khả năng phân tán năng lượng lớn, về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ dàng thi công và không tốn coffa, rút ngắn được thời gian thi công xây dựng công trình Với những ưu điểm này cho thấy kết cấu CFT sẽ phù hợp cho những công trình chịu tải trọng và vượt nhịp lớn như công trình nhà công nghiệp Tuy nhiên, hiện nay việc sử dụng các kết cấu này vào trong thực tế xây dựng tại Việt Nam còn nhiều khó khăn do chưa có các tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế và cấu tạo các chi tiết liên kết cụ thể Luận văn này sẽ nghiên cứu trình tự tính toán thiết kế nhà công nghiệp một tầng sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông theo các tiêu chuẩn châu Âu Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ cung cấp thêm một giải pháp kết cấu áp dụng vào công trình nhà công nghiệp bên cạnh các giải pháp truyền thống Bên cạnh đó cơ sở lý thuyết và ví

dụ tính toán được xem là tài liệu tham khảo cho thiết kế nhà công nghiệp sử dụng cột ống thép nhồi bê tông nhằm đẩy mạnh việc áp dụng kiểu kết cấu này vào trong thực tế xây dựng hiện nay

Từ khóa – CFST, Cột ống thép nhồi bê tông, liên kết, Eurocode 4

APPLICATION OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE STRUCTURES IN ONE-STORY

INDUSTRIAL BUILDING DESIGN Abstract – The structure of Concrete Filled steel Tube (CFT) is commonly used in many

countries around the world such as the United States, Japan, Korea The characteristics of this structure are large hardness, high strength, flexibility and ability to disperse large energy, in terms

of technology, concrete piles are easy to execute and do not waste coffa, shortening construction time of works With these advantages, the CFST structure will be suitable for large-span and heavy-load constructions such as industrial buildings However, the current use of these structures

in actual construction in Vietnam is still difficult due to the lack of standards to guide the design and construction of specific connections details This thesis will study the order of calculating the design of a one-storey industrial building using Concrete Filled steel Tube structure according to European standards The results of the thesis will provide an additional structural solution applied

to industrial buildings in addition to traditional solutions In addition, the theoretical basis and calculation examples are considered as references for the design of industrial building using Concrete Filled steel Tube to promote the application of this type of structure in current construction now.

Keywords – CFST, Concrete filled steel tube column, Connection, Eurocode 4

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 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 Nhà công nghiệp và đặc điểm của nhà công nghiệp trong thiết kế kết cấu 3

1.1.1 Tổng quan về nhà công nghiệp 3

1.1.2 Các bộ phận cấu tạo nhà công nghiệp 15

1.1.3 Đặc điểm của nhà công nghiệp ảnh hưởng đến giải pháp kết cấu 16

1.2 Các giải pháp kết cấu cho nhà công nghiệp một tầng 17

1.3 Nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông 19

1.4 Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG SỬ DỤNG CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 22

2.1 Cấu tạo khung ngang nhà công nghiệp một tầng 22

2.1.1 Sơ đồ khung ngang 22

2.1.2 Kích thước chính của khung ngang 24

2.1.3 Bố trí khung ngang 26

2.2 Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng một nhịp 26

2.2.1 Chọn sơ bộ kích thước tiết diện 26

2.2.2 Tính toán tải trọng 27

2.2.3 Xác định nội lực và tổ hợp nội lực 41

2.2.4 Thiết kế cột khung 43

2.2.5 Thiết kế xà ngang 48

2.2.6 Thiết kế vai cột 50

2.2.7 Thiết kế chân cột 52

2.2.8 Thiết kế chi tiết liên kết cột xà ngang 54

2.3 Tóm tắt trình tự thiết kế 56

2.4 Kết luận chương 2 57

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN KHUNG NGANG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG MỘT NHỊP 58

3.1 Ví dụ thiết kế khung ngang nhà công nghiệp sử dụng cột CFST 58

3.1.1 Lựa chọn kích thước khung ngang. 59

3.1.2 Sơ đồ kết cấu khung ngang 60

3.1.3 Tính toán tải trọng tác dụng 62

3.1.4 Xác định nội lực 70

3.1.5 Tổ hợp tải trọng 77

3.1.6 Thiết kế cột nhà công nghiệp sử dụng cột ống thép nhồi bê tông 79

3.1.7 Thiết kế vai cột 86

3.1.8 Thiết kế chân cột 88

3.1.9 Thiết kế liên kết cột CFST với xà ngang 92

3.1.10 Kiểm tra chuyển vị ngang tại cao trình đỉnh cột 94

3.2 Kết luận chương 3 95

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CFT : Kết cấu ống thép nhồi bê tông

C : Hệ số với các giá trị cố định

D : Chiều rộng hoặc đường kính ống thép

E : Mô đun đàn hồi

F : Lực tác dụng

I : Mô men quán tính

K: Hệ số độ cứng

L (l): Chiều dài nhịp, chiều dài tính toán mất ổn định

M: Mô men uốn

: Sức bền tính toán của tiết diện

: Nội lực tính toán do tải trọng gây ra

: Cường độ đặc trưng khi nén của bê tông

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

σ : Ứng suất

χ : Hệ số uốn dọc

A : Diện tích mặt cắt ngang của ống thép

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

bảng

2737:1995 sang EN 1991-1-4,

nhật

CFST

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

hình

kèo; 3- dầm cầu trục; 4- cửa mái; 5- hệ giằng)

phương

3.1 Sơ đồ hình học khung ngang

Số hiệu

hình

3.28 Sơ đồ tính toán chân cột

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kết cấu ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled steel Tube – CFT) được sửdụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, loại kếtcấu này có những đặc tính như: sự bố trí của thép và bê tông trong mặt cắt ngang tối

ưu hóa cường độ và độ cứng của tiết diện Thép nằm ở chu vi bên ngoài, nơi nó làmviệc hiệu quả nhất trong việc chịu kéo và chống lại mô men uốn Độ cứng của CFTđược tăng cường đáng kể vì thép có mô đun đàn hồi lớn hơn nhiều so với bê tông vànằm xa trọng tâm, nơi nó đóng góp lớn nhất vào mô men quán tính Bê tông tạothành một lõi lý tưởng để chịu được tải trọng nén và nó làm trì hoãn, ngăn chặn sựvênh cục bộ của ống thép, đặc biệt là trong các kết cấu CFT hình chữ nhật Ngoài

ra, thực tế nghiên cứu chứng minh ống thép giam giữ lõi bê tông, làm tăng cường độnén cho các cột CFT tiết diện tròn và độ dẻo cho các CFT hình chữ nhật Cácnghiên cứu gần đây cũng đã giới thiệu việc sử dụng bê tông cường độ cao kết hợpvới ống thép có thành mỏng cường độ cao với nhiều thành công Về phương diện thicông kết cấu ống thép nhồi bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rútngắn được thời gian thi công xây dựng công trình

Như vậy, kết cấu CFST có nhiều đặc tính tốt về mặt kĩ thuật và thi công,những ưu điểm này cho thấy kết cấu CFST sẽ phù hợp cho những công trình chịu tảitrọng và vượt nhịp lớn như nhà công nghiệp có sử dụng cầu trục Tuy nhiên, hiệnnay việc sử dụng các kết cấu này vào trong thực tế xây dựng tại Việt Nam còn nhiềukhó khăn do chưa có các tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế và cấu tạo các chi tiết liênkết cụ thể Do đó, luận văn này sẽ nghiên cứu trìnhtự tính toán thiết kế nhà côngnghiệp một tầng sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông theo các tiêu chuẩn châu Âu

Đó là lý do để chọn đề tài “ỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNGTRONG THIẾT KẾ NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu tổng quan về nhà công nghiệp và kết cấuống thép nhồi bê tông

- Thiết lập trình tự tính toán khung nhà công nghiệp một tầng, 1 nhịp

- Tính toán thiết kế một công trình nhà công nghiệp sử dụng kết cấu CFT và các chỉ dẫn cấu tạo liên kết

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Nhà công nghiệp một tầng một nhịp

Phạm vi nghiên cứu: Khung nhà công nghiệp sử dụng kết cấu CFT

4. Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết thiết kế nhà công nghiệp sử dụng kết cấu CFT

5 Kết quả dự kiến

- Trình bày trình tự tính toán thiết kế khung nhà công nghiệp một tầng, 1 nhịp

- Trình tự thiết kế cột ống thép nhồi bê tông và cấu tạo chi tiết liên kết;

- Ví dụ tính toán thiết kế công trình cụ thể

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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Trong chương này thực hiện tổng quan về đặc điểm nhà công nghiệp ảnhhưởng đến giải pháp thiết kế kết cấu Thực hiện tổng quan các giải pháp kết cấuđang được sử dụng trong thiết kế nhà công nghiệp hiện nay Từ những đặc điểm củanhà công nghiệp và ưu điểm của kết cấu ống thép nhồi bê tông, thực hiện phân tíchcho thấy sự hợp lý trong việc sử dụng kết cấu này trong kết cấu nhà công nghiệpbên cạnh các giải pháp kết cấu truyền thống

1.1 Nhà công nghiệp và đặc điểm của nhà công nghiệp trong thiết kế kết cấu

1.1.1 Tổng quan về nhà công nghiệp

Nhà công nghiệp là các công trình với chức năng của chúng là phục vụ chosản xuất và người lao động ở trong đó, nhằm tạo ra các sản phẩm phục vụ cho nhucầu của xã hội và con người Công nghệ sản xuất – công năng của xí nghiệp sẽ xácđịnh cơ cấu và cấu trúc tổng mặt bằng xí nghiệp công nghiệp, xác định các thông sốxây 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 thôngvận chuyển của xí nghiệp Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu xâydựng, những công trình công nghiệp được thiết kế phải thỏa mãn cao nhất các yêucầu của kĩ thuật sản xuất vừa thỏa mãn các khả năng kĩ thuật xây dựng và yêu cầucao về thẩm mỹ kiến trúc của xã hội[8]

Hình 1.1 Nhà công nghiệp

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

Về kiến trúc: Yêu cầu cơ bản trong thiết kế nhà công nghiệp [8] là:

- Thỏa mãn yêu cầu cao nhất về chức năng: công nghệ và thiết bị được bố trítrong tòa nhà phải hợp lý nhất, đáp ứng tốt nhất yêu cầu sản xuất, kinh doanh và tạođược môi trường tiện nghi cho người lao động, giải pháp mặt bằng – hình khối vàkết cấu tòa nhà phải đảm bảo thỏa mãn yêu cầu thay đổi và hoàn thiện công nghệ,thiết bị sản xuất … mà không ảnh hưởng lớn đến cấu trúc tòa nhà

- Đảm bảo sự bền vững của công trình tức là ngôi nhà phải bền chắc có chấtlượng sử dụng tốt chịu được tác động cơ, lý hóa của thiên nhiên và sản xuất, có tuổithọ phù hợp với cấp công trình, thỏa mãn cao nhất yêu cầu công nghiệp hóa xâydựng Nói một cách khác tức là phải đảm bảo các yêu cầu về kĩ thuật trong thiết kế

và xây dựng

- Đảm bảo yêu cầu về kiến trúc Công trình nhà công nghiệp được xây dựngphải có kiến trúc đẹp có sức truyền cảm Kiến trúc của tòa nhà phải thể hiện đượcchức năng của công trình có tính thống nhất giữa hình tượng kiến trúc với giải phápkết cấu, cấu tạo có sự hài hòa giữa các vật liệu được sử dụng

- Thỏa mãn cao nhất yêu cầu hợp lý kinh tế Tòa nhà được thiết kế và xâydựng phải có chi phí nhỏ nhất trong xây dựng và kinh doanh Tính kinh tế được thểhiện ở sự tổ chức tối ưu nhất dây chuyền sản xuất, ở khả năng sử dụng hợp lý nhấtmặt bằng diện tích và hình khối tòa nhà, kết cấu chịu lực và bao che phải phù hợpvới đặc điểm sản xuất và tình hình địa phương, khả năng công nghiệp hóa cao nhất

và chi phí bảo quản nhỏ nhất

Một yêu cầu quan trọng trong thiết kế kiến trúc là thiết kế điển hình hóa vàthống nhất hóa Để có thể sản xuất hàng loạt những thành phẩm xây dựng và xâydựng cơ giới hàng loạt để xây dựng với tốc độ cao chất lượng tốt giá thành hạ cần đitheo con đường công nghiệp hóa xây dựng tức là chuyển ngành xây dựng thành mộtquá trình sản xuất theo một dây chuyền công nghệ như các ngành công nghiệp khác.Quá trình phát triển của thiết kế điển hình như sau:

- Thiết kế các cấu kiện chi tiết điển hình của nhà và công trình trên cơ sở cấukiện chi tiết này có thể tổ hợp thành những ngôi nhà theo đúng yêu cầu của ngành

và quy mô sản xuất có mức độ biểu hiện thẩm mỹ khác nhau Các cấu kiện điểnhình này có thể áp dụng được nhiều lần cho nhiều đối tượng công trình khác nhau

- Thiết kế điển hình đơn nguyên Đơn nguyên là một bộ phận hoàn chỉnh vềcác mặt gồm giải pháp mặt bằng kỹ thuật cấu tạo Đó là một đơn vị để ghép thànhnhững ngôi nhà ngắn dài rộng hẹp tùy theo yêu cầu Phương pháp này có nhiều ưuđiểm là linh hoạt đáp ứng yêu cầu sử dụng, cho phép ghép nối thành những công

trình quy mô khác nhau, tạo được những bộ mặt có kiến trúc đa dạng và thuận lợi cho việc sản xuất các cấu kiện.

- Thiết kế điển hình ngôi nhà hay nói cách khác là điển hình theo công năng của những loại đối tượng khác nhau

- Thiết kế điển hình hoàn toàn nhà máy để đáp ứng yêu cầu xây dựng hàng loạt, nhanh…

Để làm cơ sở cho việc thiết kế hình khối mặt bằng và giải pháp kết cấu nhàcông nghiệp và quá trình điển hình hóa và mô đul hóa trong xây dựng, nên tuântheo 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 và chiều cao nhà H

- Không cho phép giật cấp mái <1.2m, cân nhắc 1.8m, cho phép >2.4m

- Quy định về khẩu độ:

- 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

Việc phân chia trục định vị trong nhà công nghiệp có tầm quan trọng đặc biệtđối với việc thiết kế và thi công các cấu kiện lắp ghép Phân chia trục định vị là cơ

sở để thống nhất giữa thiết kế tiêu chuẩn hóa và thi công lắp ghép ở hiện trường.Việc phân chia trục định vị phổ biến trong nhà công nghiệp một tầng (phương phápchia trục định vị đóng kín) được quy định như sau [1]:

- Trục định vị dọc nhà

Đi qua tim các hàng cột giữa

Đi qua mép ngoài của hàng cột biên

- Trục định vị ngang nhà:

Đi qua tim của các hàng cột bên trong

Đi qua mép trong của tường đầu hồi, tim các hàng cột đầu hồi cách trục định

vị một khoảng 500mm

Trục định vị nhà công nghiệp một tầng

Tại vị trí khe nhiệt độ theo chiều ngang nhà thiết kế hai dãy cột, trục định vị

đi qua tâm 2 cột, tim cột cách trục định vị về hai bên một khoảng 500mm

Với phương pháp phân chia trục định vị đóng kín không có khe hở giữa cáctấm mái và tường bao quanh nhà nên số loại cấu kiện ít nhất

Tuy nhiên khi nhà xưởng có cầu trục với sức trục lớn (lúc đó tiết diện cộtlớn) để đảm bảo an toàn cho cầu trục hoạt động quy định như sau:

Khoảng cách e(λ) từ trục định vị đến trục đường ray (trên đó bánh xe cầutrục hoạt động) với:

Sức trục Q ≤ 30T lấy e = 750mm

Sức trục Q > 30T, lúc này trục định vị sẽ dời vào so với mép ngoài cột mộtkhoảng từ 250 – 500mm, e = 1000mm và e = 1250mm (khi có cấu tạo đường đi dọcdầm cầu trục)

Trong trường hợp này sẽ có khe hở giữa các tấm mái với tường dọc nhà, đểbịt kín phải sử dụng tấm mái đặc biệt

Trục định vị dọc nhà theo sức trục

Nếu nhà có chiều rộng lớn hơn 60m, có 2 khẩu độ song song cao thấp khácnhau thì tốt nhất là chỗ tiếp giáp giữa 2 khẩu độ đó trùng nhiệt độ

Trục định vị tại vị trí tiếp giáp giữa hai nhịp liền kề

Trường hợp theo chiều dọc nhà có hai nhịp cao thấp khác nhau và chỉ sử dụng

1 cột tại vị trí giữa thì trục định vị đi qua mép ngoài gối tựa của hai kết cấu

mái Chi tiết chỗ tiếp giáp giữa hai nhà vuông góc nhau

Trục định vị tại vị trí tiếp giáp giữa hai nhà vuông góc nhau

Nhà tường gạch chịu lực quy định như sau:

- Nếu tường gạch dày ≥ 330mm, trục định vị cách mép trong tường một khoảng 250mm

- Nếu tường gạch có bổ trụ, bề dày bổ trụ < 250mm trục định vị cách mép

Trục định vị cho kết cấu tường chịu lực

Chọn lưới cột là một bước quan trọng trong quá trình bố trí mặt bằng nhà côngnghiệp Khi chọn lưới cột phải căn cứ vào diện tích yêu cầu sản xuất, đặc tính củasản 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 thướccủa 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 nhàcông 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 lêncho 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 cànglớn 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 hệthống 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 nhưsau:

- 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

- Căn cứ vào độ cao của thiết bị - đây là căn cứ chủ yếu nhất để xác định độcao nhà Nếu trong 1 gian bố trí nhiều thiết bị có độ cao thấp khác nhau thìlúc 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 cócần trục để vận chuyển vật liệu, sản phẩm hoặc lắp ráp thiết bị sản xuất trongxưởng (lắp máy) thì cần thêm độ cao cần thiết để cho cần trục có thể hoạtđộng được

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

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

Nhịp nhà (m)

6; 9; 12

15; 18

18;24

Hình 1.2 Mặt cắt ngang khung nhà công nghiệp một tầng một nhịp

Trong nhà công nghiệp, để vận chuyển nguyên vật liệu, bán thành phẩm, thànhphẩm và các thiết bị sản xuất khi lắp ráp hoặc sửa chữa trong các nhà công nghiệpngười ta có thể sử dụng các phương tiện vận chuyển Các loại phương thức vậnchuyển ảnh hưởng nhiều đến giải pháp kiến trúc và kết cấu của ngôi nhà Hiện nay,chủ yếu sử dụng cần trục cho việc vận chuyển trong nhà công nghiệp

Cần trục hay còn được gọi là cần trục kiểu cầu được sử dụng để vận chuyểnhàng hóa theo hai phương ngang, dọc trong nhà công nghiệp một tầng hoặc hỗnhợp Cầu trục có nhiều loại:

- Loại nhỏ có sức nâng 5 ÷ 50 T

- Loại trung bình 50 ÷ 250 T

- Loại nặng 250 ÷ 630 T

Để kinh tế, cầu trục thường có hai móc cẩu có sức nâng khác nhau một móc cẩu

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 1.3 Cấu tạo cầu trục

Như vậy, nhà công nghiệp có bố trí cầu trục sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc củakết cấu Tải trọng cầu trục là loại tải trọng lặp, động lực, dễ gây hư hại và hao mòncho kết cấu Bởi vậy khi thiết kế cần chú ý đến cường độ hoạt động của cầu trụcđược gọi tên là chế độ làm việc của cầu trục Toàn bộ hệ thống cầu trục chạy trênhai ray được đặt trên mặt dầm cầu chạy tựa lên vai cột dọc nhà và sự làm việc củacầu 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 sứctải Q, có thời gian làm việc chiếm 15 ÷ 25% thời gian ca sản xuất Đó là cầutrục 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 xuyêncẩu vật có trọng lượng bằng với sức tải tối đa, thời gian làm việc này từ 40 ÷80% Ví dụ của các xưởng luyện kim, cán thép

Các thông số của cầu trục được cho trong Catolo để sử dụng cho thiết kế như trong bảng sau

Số liệu cầu trục/Sức nâng 5-32 tấn, chế độ là việc trung bình

Sức

Nhịp Lk trục

(m)

Q (T)

16.5 19.5 22.5

28.0 31.0 34.0 16.5 19.5 22.5

28.0 31.0 34.0 16.5 19.5 22.5

28.0 31.0 34.0 16.5 19.5

28.0 31.0 34.0 16.5 19.5 22.5

28.0 31.0 34.0 16.5 19.5 22.5

28.0 31.0 34.0

Ghi chú: L k - nhịp cầu trục; Hk - chiều cao gabarit của cầu trục (khoảng cách từ mặt ray đến điểm cao nhất của cầu trục); Bk - bề rộng gabarit của cầu trục; Kk - bề rộng đẩy (khoảng cách trọng tâm hai bánh xe cầu trục theo bề rộng / phương dọc nhà); Zmin - khoảng cách nhỏ nhất theo phương ngang từ trọng tâm ray cầu trục đến mép trong của cột; Pmax - áp lực đứng tiêu chuẩn lớn nhất của 1 bánh xe cầu trục lên ray; Pmin - áp lực đứng tiêu chuẩn nhỏ nhất của 1 bánh xe cầu trục lên ray.

Ngoài các loại cầu trục kể trên, trong thực tế còn gặp một số loại cầu trụcchuyên dụng khác: cầu trục nam châm, cầu trục gầu xúc, cầu trục đổ khuôn, tháokhuôn…

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 cấuchịu lực của nhà xưởng, hiện nay ở nước ta dùng chủ yếu hai loại vật liệu: Thép; Bêtông 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 củacông nghệ sản xuất và cả vấn đề cung cấp vật tư; Thời hạn xây dựng công trình

- Vật liệu thép có tính cơ học cao, kết cấu thép nhẹ và khỏe nên nói chung thépthích hợp nhất để làm kết cấu nhà xưởng Nhưng thép cũng là vật liệu quý và cònhiếm phần lớn thép xây dựng của ta là nhập ngoại

- Bê tông cốt thép hoàn toàn có thể ứng dụng trong nhiều loại kết cấu chịu lựccủa nhà xưởng giá rẻ hơn, chống ăn mòn tốt hơn nhưng trọng lượng nặng, thời gian

và công xây dựng thường lớn hơn so với dùng kết cấu bằng thép

- Việc cân nhắc dùng loại vật liệu nào cho các bộ phận của kết cấu nhà xưởng.Thép hay bê tông cốt thép hay hỗn hợp cả hai là vấn đề cần giải quyết ngay từ lúcchọn phương án kết cấu

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 caokhông lớn, tải trọng không lớn nên không cho phép dùng kết cấu thép Thường sửdụng 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 máidùng dàn gỗ dạng tam giác

Hình 1.4 Kết cấu nhà có khẩu độ nhỏ

Trong xưởng sản xuất chính nên dùng vật liệu không cháy để làm kết cấuchịu lựcvà kết cấu bao che Sử dụng kết cấu bê tông cốt thép hoặc kết hợp bê tôngcốt thép và thép[1]

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

Hình 1.5 Nhà có khẩu độ lớn

Kết cấu không gian Do những thành tựu của khoa học kĩ thuật, kết hợp nhữngphương pháp tính toán mới, kỹ thuật thi công ngày càng được nâng cao, gần đâyngười ta đã đưa ra nhiều dạng kết cấu mới và đã được áp dụng vào nhà công nghiệp.

ưu điểm của dạng kết cấu này là nhẹ nhàng, tiết kiệm vật liệu và có thể với nhà cókhẩu độ lớn và lưới cột lớn Loại kết cấu này có thể làm toàn khối hoặc lắp ghép

Hình 1.6 Kết cấu không gian nhà công nghiệp một tầng

1.1.2 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 1.7 Các bộ phận trong nhà công nghiệp

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

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 nhàcông nghiệp nhiều tầng Các kết cấu phụ khác gồm vách ngăn và hệ khung đỡ váchngăn, hệ sàn công tác, cầu thang…

1.1.3 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 ngườilao động trong đó nhằm tạo ra các sản phẩm phục vụ cho nhu cầu xã hội và conngười 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 sản 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 phápkết cấu phải đảm bảo vượt được nhịp lớn, sử dụng vật liệu ít nhất cũng như các giảipháp tính toán thiết kế đáp ứng sự làm việc của nhà công nghiệp Kết cấu của nhàxưởng 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 tạoquy định trong quy phạm

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

Nói đến kết cấu chịu lực tức là nói đến hệ thống các cấu kiện được sử dụng đểđảm bảo sự ổn định của ngôi nhà, nhằm chống lại các tải trọng tác động vào ngôinhà

Kết cấu chịu lực nhà công nghiệp một tầng rất đa dạng Việc lựa chọn dạng kếtcấu chịu lực nhà công nghiệp một tầng phải dựa trên những yêu cầu và đặc điểmcủa công nghệ sản xuất, khả năng làm việc của vật liệu, lưới cột và thiết bị vậnchuyển cần thiết trong nhà, 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 ứngđược yêu cầu cơ bản về sử dụng và kinh tế Trong đó yêu cầu sử dụng là yêu cầuquan trọng nhất, được thể hiện ở các điểm sau:

- Kết cấu phải có đủ độ bền, độ cứng và tuổi thọ theo thiết kế Điều này phụthuộc vào đặc điểm của tải trọng tác dụng lên công trình, trong đó tải trọngcầu trục là quan trọng nhất vì tải trọng này có thể gây phá hoại mỏi kết cấu.Ngoài ra, cần kể đến các tác động của môi trường sản xuất như nhiệt độ, cáctác nhân ăn mòn như hóa chất, độ ẩm…

- Việc lắp đặt các thiết bị máy móc phải thuận tiện Điều này liên quan đếncách bố trí lưới cột, hướng di chuyển của các thiết bị nâng cẩu, hệ giằng…

Để các thiết bị nâng cẩu như cầu trục có thể hoạt động bình thường thì nhàphải có đủ độ cứng dọc và ngang

- Ngoài yêu cầu sử dụng là yêu cầu cơ bản nhất thì yêu cầu kinh tế cũng là mộttiêu chí quan trọng trong thiết kế nhằm mục đích giảm thiểu tối đa chi phí chocông trình Để đạt hiệu quả kinh tế, người thiết kế cần chọn giải pháp kết cấuhợp 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 lựctốt, thiết kế, chế tạo và thi công đơn giản khả năng công nghiệp hóa cao Loại kếtcấu này được hình thành từ các khung ngang (móng, cột, xà ngang) và các kết cấugiằng dọc Các khung ngang được liên kết với nhau bằng các hệ giằng dọc tạo nênmột 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 phổbiến nhất là khung lắp ghép với các cấu kiện điển hình - thống nhất Chúngđược 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 hìnhdáng yêu cầu của công nghệ và kiến trúc, nhưng đặc biệt hợp lý và kinh tếkhi nhịp nhà <18m với sơ đồ đơn giản

Nhược điểm cơ bản của chúng là có trọng lượng riêng lớn chi phí vận chuyển

và xây lắp lớn Trong những năm gần đây việc sử dụng kết cấu dự ứng lực đãcho phép giảm chi phí vật liệu, mở rộng phạm vi sử dụng và cho phép vượtqua được những nhịp lớn

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

Khi xây dựng tại những vùng xa, điều kiện vận chuyển đến khó khăn Kết cấuthép 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 côngnghiệp như: Làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao (dưới 200 độ) tốt hơn so với bêtông 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 ) Bướccột B lớn (B>=12m , cầu trục nặng (Q>=50t )

Hình 1.9 Khung nhà công nghiệp sử dụng kết cấu thép

Các trường hợp khác thì có thể dùng kết cấu khung hỗn hợp thép - bê tông hoặc kết cấu bê tông có thể cho giá thành vật liệu rẻ hơn

Với giải pháp kết cấu khung ngang chịu lực Tùy thuộc liên kết giữa cột với móng - cột với kết cấu mang lực mái, ta có:

* Khung liên kết cứng: (cột với móng, cột với kết cấu mái liên kết ngàm) Loại khung này có độ cứng theo phương ngang lớn, chịu được tải trọng lớn Khuyếtđiểm: khi bị lún không đều, khi chịu sự tác dụng của thay đổi nhiệt độ

lớn và khi có bất kỳ chuyển vị nào đều có thể gây ra nội lực phụ trong kết cấu khung → dễ bị phá hoại cục bộ

* Khung liên kết khớp: cột với móng liên kết ngàm, cột với kết cấu mang lựcmái liên kết khớp Trong loại khung này các liên kết khớp dễ bị phá hoại gây hưhỏng ở mái nhưng không hư hỏng kết cấu chịu lực chính

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

Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) được sử dụng phổ biến trong kếtcấu nhà cửa ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc Kết cấu ốngthép nhồi bê tông là một dạng kết cấu hỗn hợp gồm ống thép và lõi bê tông cùnglàm việc Bê tông được đổ trong lòng ống và quá trình đông cứng chặt bê tông trongống thép sẽ tạo thành một kết cấu liên hợp chịu lực chung Trong đó ống thép có tácdụng như là một vỏ bao ngoài bọc chặt bê tông Ống thép có thể có nhiều dạng tiếtdiện, có thể tròn hoặc đa giác kín Cường độ bê tông có thể mác trung bình hoặcmác cao [9]

Ưu điểm của kết cấu này là[9]: Độ bền của lõi bê tông (lớp vỏ thép với chứcnăng 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 mặt cắt ngang làm tối ưu cường độ và độ cứng củacấu kiện Cốt thép được phân bố ở chu vi ngoài cùng của tiết diện nên phát huy hiệuquả làm việc cao nhất khi chịu mô men uốn Bê tông tạo một lõi lý tưởng để chốnglại tải trọng nén trong quá trình làm việc, trì hoãn và chống lại sự bất ổn định cục bộcủa 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 CFST;

Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên trongống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăngkhả 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 nóichung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tương tự làm bằng kết cấu bêtông 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 dànghơn 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 vàcác chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn ít hư hỏng do va đập Do không cócốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệN/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 tươngtác giữa hai vật liệu gây khó khăn trong việc xác định thuộc tính kết hợp như mômen quán tính, môdul đàn hồi; chi tiết liên kết giữa cột CFST và sàn bê tông cốtthép, dầm bê tông cốt thép hay dầm thép tương đối phức tạp Các ứng xử, cơ chếlàm việc, trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ do đó gây ra không ít nhữngkhó khăn cho tính toán thiết kế cấu tạo liên kết;

Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFST tiếp tục được nghiên cứu

để dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng như nhậnthức 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 cónhững 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 phục được tính dòn lớn của bê tông cường độ cao do bê tông bị gò chặt

– 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 mặtkinh 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 ứngdụng rộng rãi và linh hoạt kết cấu này trong xây dựng hiện đại Tuy nhiên, hiện nayviệc sử dụng các kết cấu này vào trong thực tế còn nhiều khó khăn do chưa có cácchỉ dẫn thiết kế cụ thể đặc biệt là trong các công trình vượt nhịp lớn như nhà côngnghiệp trong điều kiện Việt Nam Do đó cần thiết lập một trình tự tính toán thiết kếtheo các tiêu chuẩn hiện hành để thiết kế nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thépnhồi bê tông là cần thiết nhằm ứng dụng kết cấu này vào trong thực tế xây dựng

1.4 Kết luận chương 1

Trong chương 1 đã thực hiện tổng quan về nhà công nghiệp cũng như các đặcđiểm 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 tốtcủa loại kết cấu này rất phù hợp cho việc ứng dụng vào các công trình nhà côngnghiệp bên cạnh kết cấu truyền thống (kết cấu thép, BTCT) Tuy nhiên để áp dụngvào trong thực tế thiết kế còn gặp khó khăn khi chưa có các chỉ dẫn thiết kế cụthể,chương 2 và chương 3 của luận văn sẽ trình bày cụ thể trình tự thực hiện thiết kếnhà công nghiệp một tầng sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông nhằm cung cấp tàiliệu cho việc thiết kế kiểu kết cấu này trong nhà công nghiệp

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ KHUNG NGANG

NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG SỬ DỤNG CỘT

ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

Như phân tích trong chương 1, kết cấu ống thép nhồi bê tông có nhiều ưuđiểm về mặt kĩ thuật và thi công Với khả năng chịu tải trọng lớn, độ cứng cao, khảnăng chịu tải trọng động tốt thì kết cấu ống thép nhồi bê tông phù hợp cho việc sửdụng trong kết cấu nhà công nghiệp Tuy nhiên, việc ứng dụng trong thực tế cònhạn chế do chưa có quy trình thiết kế cụ thể Do đó, trong chương này sẽ trình bàychi tiết trình tự thiết kế khung nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông theo tiêu chuẩn Eurocode 4

2.1 Cấu tạo khung ngang nhà công nghiệp một tầng

Nhà công nghiệp có đặc điểm là nhịp lớn, chiều dài nhà dài, độ cứng ngangnhỏ hơn so với phương dọc nhà, nên chỉ cần tính toán thiết kế khung ngang cònkhung dọc chỉ cần kiểm tra và cấu tạo khả năng chịu lực

Hình 2.1 Kết cấu khung nhà công nghiệp một tầng (1- cột; 2- dàn vì kèo; 3- dầm

cầu trục; 4- cửa mái; 5- hệ giằng)

Kết cấu chịu lực của nhà công nghiệp một tầng bao gồm các khung ngang cơbản, liên hệ với nhau bằng các kết cấu dọc hệ giằng dầm cầu trục kết cấu cửa mái,kết cấu đỡ tường Khung ngang gồm có cột với dàn hoặc xà ngang Việc chọn giảipháp khung ngang bao gồm: (1) Xác định sơ đồ khung; (2) Xác định các kích thước

cơ bản của khung; (3) Bố trí khung ngang trên mặt bằng

2.1.1 Sơ đồ khung ngang

Khung nhà công nghiệpmột tầng thường dùng trong các công trình cần khônggian thông thoáng hoàn toàn như nhà thi đấu, hăng ga máy bay, phòng trưng bày sảnphẩm, nhà kho, nhà sản xuất với nhịp khung thường không quá 60m Tùy thuộc

đặc điểm của từng công trình mà sơ đồ tính khung ngang có thể được chọn khác nhau [1]:

+ Trường hợp liên kết giữa cột khung với móng là khớp Sử dụng liên kếtkhớp có ưu điểm là cấu tạo đơn giản giảm được kích thước móng vì không có mômen chân cột nên thường được dùng khi kích thước khung không lớn, nhà không cócầu trục hoặc khi nền đất yếu

+ Trường hợp liên kết giữa cột khung với móng là ngàm được sử dụng vớinhững khung ngang có kích thước lớn chịu tải trọng nặng (sức trục lớn, gió mạnh)nếu dùng liên kết khớp thì chuyển vị ngang ở đỉnh cột sẽ lớn nên trong trường hợpnày cần chọn phương án liên kết ngàm giữa cột khung với móng để phân phối bớt

mô men đầu cột xuống móng làm giảm chuyển vị đầu cột và tăng khả năng ổn địnhcũng như độ cứng cho khung ngang

Hình 2.2 Sơ đồ khung một nhịp

+ Một dạng khác của khung một nhịp là có cột chống ở giữa thường dùng khikhông gian trong nhà không cần quá lớn, thường sử dụng làm nhà kho nhà điềuhành sản xuất nhà xưởng … Loại khung này có ưu điểm là không giới hạn chiềurộng nhà, không gian sử dụng linh hoạt có thể bố trí thành nhiều phòng khi sử dụngvách ngăn Tuy nhiên, kết cấu khung rất nhạy cảm với các hiện tượng lún lệch củamóng cột giữa có chiều cao quá lớn nếu nhịp rộng, vị trí cột khó thay đổi trongtương lai Để giảm chiều cao cột giữa có thể sử dụng sơ đồ kết cấu khung một nhịp

có nhiều cột chống, cột chính thường liên kết ngàm với móng, cột giữa có thể liênkết khớp hoặc ngàm với xà ngang Liên kết khớp khi chịu tải trọng gió nhỏ, liên kếtngàm khi tải trọng gió lớn hoặc chiều cao cột lớn

Kết cấu mái của khung ngang có thể sử dụng kết cấu giàn hoặc xà ngang gãykhúc Hiện nay, xà ngang bằng kết cấu thép được sử dụng nhiều vì thiết kế chế tạo

và thi công dễ dàng Tuy nhiên, trong trường hợp vượt nhịp lớn thì giải pháp dàn sẽhợp lý

Hình 2.3 Giải pháp kết cấu

mái 2.1.2 Kích thước chính của khung ngang

a) Trục định vị cho nhà công nghiệp một

tầng[1] - Trục định vị dọc nhà:

+ Đi qua tim của các hàng cột giữa

+ Đi qua mép ngoài của hàng cột biên

- Trục định vị ngang nhà:

+ Đi qua tim của hàng cột bên trong

+ Đi qua mép trong của tường đầu hồi, tim các hàng cột đầu hồi cách trục định vị một khoảng 500mm

Tại vị trí khe nhiệt độ theo chiều ngang nhà thiết kế hai dãy cột, trục định vị điqua trung tâm hai cột, tim cột cách trục định vị về hai bên một khoảng 500mm

Hình 2.4 Trục định vị cho nhà công nghiệp một tầng

Tuy nhiên, với trường hợp nhà có cầu trục với sức trục lớn (lúc đó tiết diện cột lớn) để đảm bảo an toàn cho cầu trục hoạt động trục định vị lấy như sau:

Khoảng cách e(λ) từ trục định vị đến trục đường ray (trên đó bánh xe cầu trụchoạt động) với:

+ Sức trục Q ≤ 30T lấy e = 750mm

+ Sức trục Q > 30T lúc này trục định vị sẽ dời vào so với mép ngoài cột mộtkhoảng từ 250 – 500mm lấy e = 1000mm và e = 1250mm (khi có cấu tạo đường đidọc dầm cầu trục)

b) Kích thước khung theo phương ngang

Khoảng cách giữa hai trục định vị (nhịp khung) thường có mô đun 6m hoặc3m, có thể xác định theo công thức:

Khoảng cách từ trọng tâm ray cầu trục đến mép trong của cột (z) không đượcnhỏ hơn khoảng cách zmin trong cataloge cầu trục, để đảm bảo cho cầu trục khôngvướng vào cột khi hoạt động

Chiều cao tiết diện cột (h) theo yêu cầu độ cứng thường chọn khoảng 1/15 –1/20 chiều cao của cột

c) Kích thước khung theo phương đứng

Chiều cao của cột, tính từ mặt móng đến đỉnh cột (đáy xà):

H= H1+ H2+ H3 ; (lấy chẵn 100mm)Trong đó:

H1 – cao trình đỉnh ray, là khoảng cách nhỏ nhất từ mặt nền đến mặt ray cầu trục, xác định theo yêu cầu sử dụng và công nghệ;

H2 – chiều cao từ mặt ray cầu trục đến đáy xà ngang

H3 – phần cột chôn dưới cốt mặt nền, lấy sơ bộ khoảng 0÷1m

Độ dốc của mái thường chọn i=(10÷15)% với khung có nhịp dưới 60m

Hình 2.5 Các kích thước chính của khung ngang

Ghi chú: Lk - nhịp cầu trục; Hk - chiều cao gabarit của cầu trục (khoảng cách

từ mặt ray đến điểm cao nhất của cầu trục); Bk - bề rộng gabarit của cầu trục; Kk khoảng cách trọng tâm hai bánh xe cầu trục theo bề rộng / phương dọc nhà; Zmin -khoảng cách nhỏ nhất theo phương ngang từ trọng tâm ray cầu trục đến mép trongcủa cột; Pmax - áp lực đứng tiêu chuẩn lớn nhất của 1 bánh xe cầu trục lên ray; Pmin -

-áp lực đứng tiêu chuẩn nhỏ nhất của 1 bánh xe cầu trục lên ray

2.1.3 Bố trí khung ngang

Khung ngang bố trí theo phương ngang nhà, các cột khung tạo nên lưới cột Bướckhung (khoảng cách cột dọc nhà) có mô đun 6m Bước cột biên thường 6m để giảiquyết kết cấu bao che, bước cột giữa có thể là 6m hoặc 12m thậm chí lớn hơn Khi nhà

có kích thước mặt bằng quá lớn, để giảm ứng suất do thay đổi nhiệt độ nhà được chiacắt bởi những khe nhiệt độ thành những khối riêng biệt gọi là khối nhiệt độ

2.2 Thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng một nhịp

2.2.1 Chọn sơ bộ kích thước tiết diện

-Tiết diện cột:Sự có mặt của lớp bê tông sẽ ngăn cản hiện tượng mất ổn định cục

bộ của các bản thép Với các tiết diện cột rỗng nhồi bê tông thì độ mảnh của các bảnthép không được vượt quá các trị số d/t ≤ 90ε2 đối với cột rỗng tròn trong đó ε = 235 /

f y - fy là giới hạn đàn hồi của thép [6]

- Tiết diện xà mái chọn kết cấu thép tiết diện chữ I có tiết diện thay đổi:

+ Chiều cao tiết diện cách khung h1 = L/40

+ Bề rộng nách khung: b = (1/2 – 1/5) h1 và b ≥ 180mm

Chiều cao tiết diện đoạn dầm không thay đổi h2 = (1.5 – 2)b

Chiều dày bản bụng tw nên chọn vào khoảng (1/70 – 1/100)h để đảm bảo điều