Thiết kế Kết cấu thép đã không còn là khái niệm xa lạ trong việc xây dựng nhà xưởng, nhà kho, nhà công nghiệp, các công trình dân dụng, việc sử dụng kết cấu thép mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp. Để đảm bảo mang lại công trình có được thiết kế đẹp và chắc chắn theo quy chuẩn thiết kế kết cấu thép cùng tham khảo quy trình thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp của ĐẠI THỊNH PHÁT SHA nhé!

Tổng quan thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp

Quy trình thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp được trình bày trong các mục sau đây:

• Vai trò của việc thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp
• Quy trình thiết kế kết cấu thép
• Thiết kế kết cấu thép bằng Sap2000, Etabs
• Thể hiện bản vẽ phương án bằng phần mềm Cad, Tekla,…
• Các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu nhà xưởng khung thép tiền chế
• Yêu cầu đối với một kỹ sư thiết kế kết cấu 

Tiêu chí thiết kế kết cấu thép

Giống như các loại giàn thép, kết cấu thép của nhà xưởng khi thiết kế cần phải đáp ứng được các tiêu chí như mục đích sử dụng của công trình, độ an toàn, bền vững và tính kinh tế.

Tiêu chí khi thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp

Trước hết, việc bố trí lưới cột trên mặt bằng, bố trí thiết bị nâng cẩu phải phù hợp với dây chuyền công nghệ và vị trí các thiết bị sản xuất. Khung nhà phải có đủ độ cứng cho cầu trục hoạt động bình thường. Bên cạnh đó, công trình phải có tuổi thọ, có độ bền lâu cần thiết phụ thuộc vào mức xâm thực của môi trường.

Ảnh hưởng quan trọng nhất đến sự làm việc của kết cấu nhà là các cầu trục. Tải trọng cầu trục là loại tải trọng lặp, động lực, dễ gây hư hại và hao mòn cho kết cấu. Do đó khi thiết kế, công ty xây dựng nhà xưởng công nghiệp cần chú ý đến cường độ hoạt động của cầu trục. Nó được gọi là chế độ làm việc của cầu trục.

Cầu trục nhà công nghiệp

Không phụ thuộc sức trục, cầu trục nhà công nghiệp làm việc theo bốn chế độ sau:

• Chế độ nhẹ: Thời gian mở máy ít, rất hiếm khi cẩu vật nặng hết sức tải Q. Đó là cầu trục dùng để sửa chữa, lắp đặt thiết bị
• Chế độ vừa: Cầu trục của dây chuyền sản xuất hàng loạt nhỏ, của xưởng cơ khí lắp ráp
• Chế độ nặng: Cầu trục của xưởng sản xuất hàng loạt lớn, của nhà kho, xưởng rèn dập
• Chế độ rất nặng: Thời gian làm việc hầu như liên tục, thường xuyên cẩu vật có trọng lượng bằng với sức tải tối đa. Ví dụ của các xưởng luyện kim, cán thép.

Kết cấu của nhà xưởng có chế độ làm việc nặng chịu những tác động xung kích liên tục. Chính vì thế, một trong những tiêu chí thiết kế kết cấu thép đó là việc đảm bảo những yêu cầu đặc biệt về tính toán và cấu tạo quy định trong quy phạm.

Đối với yêu cầu kinh tế, thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp, công ty xây dựng nhà xưởng công nghiệp cần phải đảm bảo sao cho giá thành xây dựng thấp. Đồng thời, cần xét thêm hiệu quả đem lại do việc rút ngắn thời gian xây dựng và các phí tổn bảo dưỡng công trình trong suốt thời kỳ sử dụng.

Tuy nhiên, để xem xét đầy đủ các yếu tố kinh tế khi thiết kế kết cấu nhà xưởng là vấn đề rất phức tạp bởi  các yếu tố kinh tế thường trái ngược nhau. Giải pháp tối ưu nhất cho công ty xây dựng nhà xưởng công nghiệp chính là đáp ứng tốt nhất mọi yếu tố đó sau khi so sánh tất cả các phương án.

Vai trò của việc thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp

Thiết kế là công tác đầu tiên và quyết định sự thành bại của một dự án. Việc tiết kiệm chi phí, giảm thiểu hao phí vật liệu và rút ngắn thời gian thi công phần nhiều quyết định bởi người thiết kế.

Sau khi thống nhất được phương án tổng mặt bằng quy hoạch 1/500 và phương án kiến trúc, hạng mục thì bước tiếp theo là bước thiết kế kết cấu thép.

Một phương án kết cấu hợp lí không chỉ tiết kiệm chi phí vật tư vật liệu mà còn tối ưu luôn cho cả biện pháp sản xuất và thi công giúp tiết kiệm chi phí, đẩy nhanh tiến độ thi công và đảm bảo an toàn khi thi công lắp dựng.

Quy trình thiết kế kết cấu thép

Trong giáo trình tại các trường đại học, sinh viên khoa xây dựng các trường khối kỹ thuật học theo giáo trình “Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp” của Giáo sư Đoàn Định Kiến. Cuốn sách này cơ bản là đủ kiến thức để kỹ sư có thể trên cơ sở đó triển khai các dự án thực tế. Tuy nhiên xử lí các phương án kết cấu cho mỗi công trình cần nhiều hơn kỹ  năng và kinh nghiệm của các chủ trì có nhiều kinh nghiệm .

Quy trình thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp của đội kỹ sư công ty kết cấu thép ĐẠI THỊNH PHÁT SHA có các bước như sau:

Bước 1 : Đọc hiểu bản vẽ kiến trúc, xác định yêu cầu đề ra, khoanh vùng tiêu chuẩn sử dụng

Người kỹ sư trước khi thực hiện sẽ đưa ra khái quát về loại công trình cần thiết kế. Từ đó, lên ý tưởng thiết kế kết cấu theo những yêu cầu, điều kiện cụ thể.

Bước 2: Lập sơ đồ kết cấu, sơ bộ tiết diện và lựa chọn vật liệu

Lựa chọn phương án thi công phù hợp với từng loại công trình, trên từng địa hình thực tế. Sau đó bắt đầu tiến hành lập sơ đồ kết cấu. Đây chính là căn cứ để bạn đưa ra những tính toán về tải trọng, vật liệu xây dựng,… Vì thế mà sơ đồ càng chi tiết càng tốt.

Người kỹ sư tiến hành chọn kích thước sơ bộ các tiết diện theo sơ đồ kết cấu. Từ đó, đưa ra phương án lựa chọn các vật liệu xây dựng phù hợp cho công trình, theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép hiện hành.

Bước 3: Tính toán tải trọng và gán tải

Có thể thấy đây là bước khá quan trọng trong toàn bộ quy trình thiết kế nhà xưởng, nhà kho hay nhà công nghiệp khung kết cấu. Đòi hỏi người kỹ sư phải có nhiều kinh nghiệm thực tế. Đưa ra những tính toán, dự kiến về các tác động bên ngoài vào công trình. Việc sai sót ở bước này sẽ khiến chất lượng công trình bị giảm sút, nguy hiểm hơn là có thể khiến công trình bị sụt đổ.

Tải trọng công trình gồm một số tải trọng:

• Tải bản thân: cột, dầm, sàn
• Tĩnh tải: Tải hoàn thiện sàn, tải trần, tải tường
• Hoạt tải sử dụng: Lấy theo chức năng sử dụng của sàn đó
• Tải cầu trục
• Tải trọng gió
• Tổ hợp tải trọng: Tổ hợp các tải trọng bên trên theo từng trường hợp khác nhau mục đích tìm ra tổ hợp tải trọng nguy hiểm nhất cho hệ kết cấu
• Xác định nội lực để tính toán tiết diện
• Tính toán tiết diện và kiểm tra chuyển vị

Tiến hành tính toán chi tiết các tiết diện của công trình. Đi kèm với đó là kiểm tra các điều kiện sử dụng xem đã phù hợp hay chưa như độ võng. Đảm bảo cho chất lượng của thiết kế. Đến đây về cơ bản chúng ta đã có những yếu tố kỹ thuật cần để tạo bản vẽ thiết kế. 

Bước 4: Thiết kế chi tiết liên kết

Liên kết là 1 phần tuy nhỏ nhưng có vai trò đặc biệt quan trọng. Bằng việc tính toán lựa chọn phương án liên kết như bulong, đường hàn hay đinh tán mà các cấu kiện được liên kết với nhau thành hệ chịu lực đảm bảo yêu cầu thiết kế.

Lưu ý: Đôi khi kỹ sư thiết kế chỉ quan tâm đến các tải trọng trong quá trình sử dụng, vận hành công trình mà quên một tải trọng trong quá trình thi công. Tải trọng và sơ đồ làm việc giai đoạn này thường lớn hơn và khác với mô hình làm việc khi hệ kết cấu chưa hoàn thiện, và điều này là nguyên nhân chính gây ra các sự cố về an toàn thi công nhà xưởng.

Thiết kế kết cấu thép bằng Sap2000, Etabs

Sau khi lên được phương án sơ bộ phương án kết cấu, người kỹ sư mô hình lại khung kết cấu thép bằng phần mềm Sap200 hoặc phần mềm Etabs (Cũng của công ty CSI, một công ty chuyên về phần mềm mô hình kết cấu của Mỹ). Phần mềm giúp các kỹ sư phân tích nội lực từng cấu kiện từ đó kiểm tra và tối ưu phương án kết cấu đã chọn.

Với các kỹ sư trẻ thì việc kiểm tra và tối ưu lại hệ kết cấu mất nhiều thời gian do phải kiểm tra lại nhiều lần. Nhưng các kỹ sư lâu năm nhiều kinh nghiệm, đôi khi chỉ cần bước chọn phương án đã là một phương án tối ưu.

Bằng việc áp dụng tối ưu thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ ANSI-AISC 360-16 được cài đặt sẵn trong phần mềm SAP, công tác thiết kế tiết diện trở nên trực quan và ngắn gọn hơn trước rất nhiều. Tuy nhiêu việc sử dụng thiết kế tự động này đòi hỏi người kỹ sư phải có sơ liệu đầu vào chuẩn xác, am hiểu sự làm việc của kết cấu để điều chỉnh thiết kế cho phù hợp và tối ưu nhất cho quy trình thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp của mình .

Thể hiện bản vẽ phương án bằng phần mềm Cad

Sau khi tính toán bằng phần mềm Sap2000, người kỹ sư cần thể hiện bản vẽ phương án kết cấu thép bằng phầm mềm Cad 2D hoặc 3D để lấy căn cứ làm bản vẽ chấp thuận.

Thể hiện bản vẽ sản xuất (bản vẽ Detail): Sau khi bản vẽ phương án được chấp thuận, một bước cuối cùng là thể hiện bản vẽ gia công để gửi ra công trường và gửi nhà máy sản xuất. Bản vẽ này có thể thể hiện bằng phầm mềm BIM hoặc thể hiện bằng  phần mềm Cad.

Các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu nhà xưởng khung thép tiền chế

Phương án kết cấu tốt là phương án phải đảm bảo thỏa mãn đồng thời 2 điều kiện:

• Đảm bảo khả năng chịu lực: Cường độ
• Đảm bảo yêu cầu sử dụng: Chuyển vị cho phép.

Một số tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép hiện nay.

Trong quy trình thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp phải chúng ta cùng tham khảo những tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép hiện nay nhé.

• Việt nam: TCVN 5575:2012: Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế.
• Mỹ: AISC-89: American Institute Of Steel Construction, Inc – Viện nghiên cứu thép xây dựng của Hoa kỳ.
• Anh: BS 5950: Part 1: 1990: British Standard: Structure use of Steelwork in Building: Tiêu chuẩn Anh quốc.
• Châu âu: EN1993-1-1: Tiêu chuẩn Chân âu – Thiết kế kết cấu thép.
• Úc: AS 4100-1998: Tiêu chuẩn Úc về Kết cấu thép; AS 4600:1996: Australia/New Zealand Standard: Kết cấu thép cán nguội.

Tiêu chuẩn tải trọng thiết kế tương ứng với các nước.

• Việt nam: TCVN 2737:1995: Tải trọng và tác động, tiêu chuẩn thiết kế.
• Mỹ: MBMA 2002; UBC 97; IBC 2006;
• Anh: BS 6399: Part 2: 1997: Load for Building: Part 2: Code of practice for wind loads; BS 6399: Part1: 1984: Design loading for buildings: Part 1: Code of practice for dead and Imposed loads.
• Châu âu: EN1991-1-4:2005+A1: Action on structure.
• Úc: AS/NZS 1170.1:2002: Tiêu chuẩn Úc/New Zealand về tải trọng tĩnh tải, hoạt tải và tác động khác; AS/NZS 1170.2:2011: Tiêu chuẩn Úc/New Zealand về tải trọng gió.

Yêu cầu đối với một kỹ sư thiết kế kết cấu 

Theo như kinh nghiệm bản thân và quan sát, để trở thành một kỹ sư thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp giỏi cần một số yêu cầu như sau:

• Đọc hiểu tốt bản vẽ kiến trúc và các hạng mục liên quan.
• Ham học hỏi, không ngại tìm tòi các vấn đề liên quan đến tải trọng và các dạng liên kết trong kết cấu, các mô hình tính và các bài báo khoa học, các tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn nước ngoài liên quan.
• Cẩn thận, tỉ mỉ trong công tác tính toán và kiểm tra số liệu từ tải trọng, nội lực đến phương án kết cấu.
• Cẩn thận trong công tác thể hiện bản vẽ.
• Khảo sát thực tế các dự án đang triển khai  để từ đó rút kinh nghiệm và hoàn thiện bản thân.

Bài viết trên đây là tổng hợp lại quy trình thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp của công ty chuyên thi công kết cấu thép tại Đà Nẵng - Miền Trung, vừa là chia sẻ một số quan điểm cá nhân của tôi, một người làm thiết kế Kết Cấu Thép. Nếu bạn có đóng góp thêm hay phản biện gì, hãy để lại comment bên dưới. Chúng tôi rất vui nếu nội dung bạn chia sẻ giúp ích phần nào cho các bạn kỹ sư trẻ hay có một góc nhìn đồng cảm với các bạn kỹ sư lâu năm giàu kinh nghiệm.