• Báo giá
  • Giới thiệu
  • Sản phẩm - Dịch vụ
  • Liên hệ
  • vnen

Thiết kế kỹ thuật

  • Tiêu chuẩn thiết kế Nhà thép được Dong Son áp dụng:

StandardApply

  • Tiêu chuẩn tải trọng:

TCNV 2737:
ASCE 7-16

  • Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu

AISC 360 ASD và RLFD
 

Hỏi và đáp:

  • Thiết kế kết cấu là gì?

Thiết kế kết cấu là việc lựa chọn vật liệu, loại phần tử , kích thước và cấu trúc để có được khả năng chịu tải đạt độ an toàn và khả dụng.
Trong đó kết cấu là một hệ gồm các phần tử liên kết với nhau tạo hình dáng ổn định, vững chắc và thường dùng để chịu tải trọng.

Một phần tử kết cấu thép thường gặp là dầm.Thiết kế dầm đủ bền cần thỏa các điều kiện sau:

  1. Sức bền chịu uốn và chịu cắt
  2. Giới hạn về độ võng
  3. Ổn định ngang (độ bền chống oằn)
  4. Ổn định cục bộ (độ bền tại các nơi tập trung ứng suất)
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) được  áp dụng trong phân tích và thiết kế kết cấu như thế nào?

Phương pháp Phần tử hữu hạn là phương pháp chính để  giải các bài toán cơ học kết cấu, phân tích ứng suất và biến dạng trong cấu kiện.

Phương pháp được biết đến từ những năm 40 của thế kỷ trước, kết hợp với kỹ thuật máy tính và phần mềm ứng dụng ngày nay, chúng ta có thể giải được hầu hết các bài toán sửc bền kết cấu. Các công cụ này cho phép chúng ta phân tích được từng vị trí trong dầm thép, phân tích được ứng suất của mổi hàn, xà gồ, tôn lợp v.v.. và hàng loạt các kết cấu mà hai mươi năm trước là không thể.

FEM_Rafter_Purlin_Gutter

  • Thiết kết Kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu thép khác nhau ra sao?

Điểm khác nhau trước tiên là vật liệu khác nhau. Do đặc tính của bê tông và thép khác nhau nên kết quả là việc thiết kế giữa hai loại vật liệu có sự khác biệt khá lớn.

BÊ TÔNG CỐT THÉP    THÉP
Tiết diện thường đồng dạng Tiết diện đa dạng
Liên kết đơn giản Liên kết đa dạng và phức tạp
Ít bị mất ổn định Thường mất ổn định

Tùy chọn tiết diện kết hợp bị hạn chế | Tùy chọn tiết diện kết hợp rộng mở

Sự khác biệt nói trên khiến cho việc thiết kế trở nên phức tạp hơn rất nhiều do với kết cấu bê tông.

Các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép của AISC gần đây, một phần tử thép cần thiết kế cần kiểm tra 8 chỉ tiêu về nội lực, ổn định, các giới hạn về tiết diện (cả hai phương của tiết diện) cho mỗi tổ hợp tải trọng.

Ngoài ra còn kiểm tra 6 chỉ tiêu về tính khả dụng (Serviceability) liên quan đến độ võng, hoặc chuyển vị.

Số lượng tổ hợp tải từ vài cho đến vài chục tổ hợp tải .Số lượng phần tử trong kết cấu từ hàng chục cho đến hàng chục ngàn với tiết diện khác nhau, chiều dài và trạng thái chịu lực khác nhau.

Tổ hợp về số lượng chỉ tiêu cần kiểm tra, số lượng phần tử, số lượng tổ hợp tải trọng cho thấy một khối lượng tính toán khổng lồ.

Một liên kết bu lông thường gặp cần kiểm tra 19 chỉ tiêu thiết kế bao gồm 5 phần tử xung quanh liên kết này, kể cả mối hàn. Với số lượng liên kết không ít trong kết cấu, khối lượng tính toán là không nhỏ.

Việc thiết kế tối ưu cần phải thử với các tiết diện khác nhau rất nhiều lần đẩy khối lượng tính toán tăng lên gấp bội.

Việc tối ưu kết cấu thép bằng các“tùy chọn tiết diện kết hợp” , nghĩa là có thể thay đổi tiết diện hoặc kết hợp thêm một số phần tử khác xung quanh điểm yếu của cấu kiện, làm cho không gian thiết kế kết cấu thép rộng mở nhiều so với kết cấu bê tông.

Công tác thiết kế truyền thống trước đây với vài công thức kiểm tra hoặc bảng tính đơn giản rõ ràng là hụt hơi đối với khối lượng tính toán nói trên.

  • Thép thường hay thép cường độ cao?
  • Thép thườngcó giới hạn chảy trong khoảng Fy 235~275 (N/mm2)
  • Thép cường độ cao thông dụng có giới hạn chảy trong khoảng Fy 345~355 (N/mm2)

Việc lựa chọn loại thép nào tùy thuộc vào người thiết kế về mặt kỹ thuật, về khả năng cung cấp của thị trường và tính kinh tế.

Nếu chỉ xem xét về khía cạnh kỹ thuật, kết cấu thép dùng thép cường độ cao luôn có trọng lượng nhẹ hơn nhiều so với thép thông dụng.

Đối với kết cấu có nhịp lớn, phần lớn sức bền của cấu kiện dùng để đỡ tự trọng bản thân. Do đó trọng lượng nhẹ luôn là ưu điểm về mặt thiết kế.

Hiện nay trên thế giới, thép cường độ siêu cao Fy > 600 N/mm2 cũng đã được sử dụng cho kết cấu nhà thép.

  • Thép I tổ hợp hay thép I cán nóng?

Thiết kế luôn gắn yếu tố kinh tế lên hàng đầu. Do đó, ở những nơi khác nhau trên thế giới sẽ có những quan điểm khác nhau về loại vật liệu sử dụng.

Tiết diện I rất phổ biến trong kết cấu thép và trong nhà thép tiền chế.

Tiết diện I tổ hợp, ghép từ các tấm thép hàn lại với nhau, được sử dụng từ rất lâu trên thế giới. Đặc điểm là thép tổ hợp có thể được thiết kế phù hợp với tải trọng thực sự của cấu kiện nên trọng lượng khá nhẹ. Hiệu quả sử dụng vật liệu của cấu kiện có thể  hơn 95%. Tuy nhiên nhân công chế tạo lại nhiều hơn loại tiết diện I cán nóng.

Ở các nước phát triến, ban đầu I tổ hợp được sử dụng phổ biến, và thép cán nóng dần dần thay thế bởi các yếu tố sau:

  • Cường độ các chúng loại thép mới ngày càng cao, do đó trọng lượng kết cấu sẽ giảm đi đáng kể.
  • Nhân công ngày càng quá đắt so với chi phí vật liệu thép. Sử dụng I cán nóng ít nhân công hơn nhiều.
  • Yêu cầu ngày càng cao về chất lượng mối hàn và các thử nghiệm đường hàn trên thép I tổ hợp khiến phát sinh thêm chi phí và các thủ tục rườm rà về kiểm soát chất lượng đường hàn.
  • Tuy nhiên, ở những nơi mà chi phí nhân công và chi phí dịch vụ rẻ so với giá nguyên liệu thép, thép I tổ hợp vẫn là lựa chọn hàng đầu của các nhà thiết kế.

 

  • Chọn Khẩu độ nhà thép như thế nào là phù hợp ?

Mỗi kiểu khung nhà có một khoảng kích thước có tính kinh tế, đánh giá bằng chi phí trên một m2 sàn. Khi khẩu độ lớn quá, tính kinh tế giảm, người ta đặt thêm cột để giảm khẩu độ của nhịp. Tuy nhiên, cột sẽ làm hạn chế không gian sử dụng bên trong nhà.

Ở Viêt nam, khẩu độ hoặc chiều rộng nhà thường chọn là bội số của 6m. Lý do đơn giảm là hợp với chiều dài tiêu chuẩn 6 m dài của hầu hết các loại thép.

  • Nhà có chiều rộng nhỏ và  hay nhà có chiều rộng lớn có gì khác nhau ?

Nhà công nghiẹp thường có chiều rộng và diện tích lớn. Để có cùng diện tích, có các giải pháp làm nhiều nhà đơn lẻ tách biệt nhau hay nhà nhiều gian có chiều rộng lớn.

Người sử dụng sẽ chọn giải pháp phù hợp theo nhu cầu sử dụng của mình.

Tuy nhiên nhà có chiều rộng quá lớn sẽ có các vấn đề không thuận lợi đi kèm.

- Thông gió tự nhiên

Nếu nhà sử dụng thông gió bằng đối lưu tự nhiên, nhà càng lớn theo chiều ngang, càng bất lợi cho việc thông gió tự nhiên. Thông gió tự nhiên hình thành từ việc không khí nóng,nhẹ đi lên và ra ngoài qua nóc gió, kéo  không khí mát,nặng  từ ngoài vào thông qua cửa và các khoảng trống vách. Khi chiều rộng của nhà tăng, nhiệt lượng hấp thụ qua mái tăng đáng kể, trong khi đó không thể mở rộng tiết diện thông gió cho không khí vào nhà. Thông gió tự nhiên bị cản trở.

Bề rộng nhà cho thông gió tự nhiên, tốt nhất là không vượt quá 40m

-  Lấy sáng tự nhiên.

Ánh sánh tự nhiên qua vách phần lớn là ánh sáng tán xạ, mang theo ít nhiệt lượng hơn ánh sáng trực tiếp. Do đó việc lấy sáng tự nhiên qua vách giúp hạn chế nhiệt lượng của ánh nắng mặt trời khi lấy sáng qua mái.
Khi nhà có bề rộng lớn, ánh sáng tự nhiên qua vách thường không đủ để chiếu sáng diện tích bên trong. Tuy nhiên, vấn đề này chỉ được quan tâm đối với các nước nhiệt đới, nhiều nắng.

  • Độ dốc mái nhà thép, được chọn như thế nào là phù hợp?

Độ dốc phổ biến đối với nhà công nghiệp ở Việt nam trong khoảng 10% - 15%.

Độ dốc mái lớn, thoát nước nhanh, giảm nguy cơ tràn nước qua mối nối  tôn mái. Nước thoát nhanh tạo áp lực lên hệ thống máng xối và ống xối, đặc biệt là khi chúng ở giữa nhà, làm tăng nguy cơ tràn nước.

Nhưng Độ dốc mái không đơn thuần chỉ liên quan đển vấn đề thoát nước của mái.Nó liên quan đển kết cấu khung và tính kinh tế của toàn bộ nhà.

Khi độ dốc lớn, đính mái sẽ cao hơn, chièu dài kèo nhà tăng làm tăng số lượng  xà gồ và tôn mái. Sức cản gió của nhà tăng lên, tải trọng do gió tăng lên hệ khung nhà

Tuy nhiên khi độ dốc tăng, nội lực của kèo nhà được tái phân bố: thành phần lực dọc tăng lên, thành phần uốn giảm xuống. Sức bền của kèo tăng lên, trọng lượng của kèo giảm xuống. Chi phí cho phần kết cấu giảm. Việc chọn độ dốc phù hợp để có bộ khung kinh tế nhất là do tài năng của nhà thiết kế.

Do đó khi tải trọng trên mái càng lớn, độ dốc mái tăng là phù hợp. Ví dụ như tải trọng do tuyết rơi trên mái chẳng hạn hoặc tải treo dưới mái quá lớn.

  • Thiết kế xà gồ có đặc điểm gì?

Xà gồ là một phần tử chịu lực thứ cấp của nhà. Đó là phần tử rất mảnh, khả năng chịu lực tư thân nó khá nhỏ do tính ổn định của nó kém.

Tôn mái liên kết với xà gồ, tự nhiên tạo một liên kết làm tăng sự ổn định của cánh trên xà gồ. Nếu bỏ qua yếu tố khi thiết kế xà gồ, chúng ta sẽ khó đạt được thiết kế tốt.

Việc sử dụng các biện pháp bố sung các phần tử giằng khác (ti giằng, khung giằng) làm tăng sự ổn định của xà gồ và đó là yếu tố không thể thiếu khi sử dụng các loại xà gồ C.Z thường gặp.

Thiết kế xà gồ theo tiêu chuẩn để có được tính kinh tế có ý nghĩa quan trọng do xà gồ chiếm tỉ trọng đáng kể trong toàn bộ nhà.

  • Chọn bước xà gồ dựa trên nguyên tắc nào?

Bước xà gồ được chọn theo sức bền của tôn. Sức bền của tôn đối với tải trọng gió hoặc hoạt tải mái tùy thuộc vào biên dạng song tôn và độ dày tôn. Nói chung bước xà gồ có thể tăng theo độ dày tôn và chiều cao sóng. Trong thiết kế tối ưu, tải trọng trên xà gồ là không đổi, chọn bước xà gồ sao cho hiệu quả sử dụng xà gồ là cao nhất.

Bước xà gồ mái lớn, nguy cơ rò nước ở mối nối tôn tăng cao do các biến dạng của tôn do hoạt tải mái trong quá trình sử dụng.

  • Xà gồ C và Z, loại nào kinh tế hơn?

Sự khác nhau cơ bản của Xà gồ C và Z. Trong phần lớn các trường hợp, xà gồ Z có tính kinh tế hơn xà gồ C. Nguyên tắc làm việc của xà gồ Z cho phép thiết kế với nhịp lớn đến 12m với chiều cao xà gồ hạn chế ở 250mm.

Xà gồ C Xà gồ Z
Sơ đồ chịu lực dầm đơn Sơ đồ chịu lực dầm liên tục
Không có đoạn chồng lắp Có đoạn chồng lắp
Sử dụng ít bu lông liên kết Sử dụng nhiều bu lông liên kết
Điểm tới hạn sửc bền ở giữa xà gồ Điểm tới hạn sửc bền ở gần đầu xà gồ
Dễ lắp dặt Khó lắp đặt hơn
Độ võng lớn Độ võng nhỏ
Tính kinh tế ở nhịp ngắn <6m Thường dùng ở nhịp lớn >=6m

Cee_and_Zee

  • Chân cột nhà thép: nên chọn liên kết ngàm hay liên kết khớp?

Nhà thiết kế có thể chọn liên kết cột với móng là ngàm hoặc khớp. Sau đó, liên kết này phải được thực hiện đúng ý đồ thiết kế. Việc thiết kế móng có được momen chống lật móng theo giá trị mong muốn là cần thiết khi chọn liên kết ngàm.

Thiết kế ngàm, cột có được mô men phản lực ở chân cột chống lại tải trọng do gió và tải trọng thẳng đứng ( tự trọng, hoạt tải mái v.v..) Do đó, tiết diện ở các vị trí chịu uốn lớn như đầu cột, giảm.  Biểu đồ momen uốn trên cột sau cho thấy sự khác biệt khi chọn liên kết chân cột là ngàm và khớp.

Fixed_or_Pinned

  • Tuy nhiên, ngàm ít được áp dụng bởi các lý do:

- Thiết kế móng có momen phản lực chống lật là một việc khá phức tạp và độ tin cậy không cao

- Thiét kế kết cấu thép và thiết kế móng là đôi khi độc lập với nhau,hoặc không cùng quan điểm thiết kế để có một được một hệ kết cấu đồng bộ.

Do đó khớp được sử dụng phổ biến hơn. Móng được giao nhiệm vụ chịu lực, không chịu momen. Kết cấu thép tự thân chịu các momen uốn.Thiết kế độc lập này có độ tin cậy cao.

  • Bu lông neo chân cột nhà thép dùng cấp độ bền nào?

Bu lông neo chân cột nhà thép không có yêu cầu đặc biệt. Lý do là trong phần lớn các trường hợp, bu lông này không chịu kéo trong quá trình làm việc.

Tiêu chuẩn ASTM A 36A là phù hợp. Giới hạn chảy 250 Mpa, giới hạn kéo đứt 400 MPa – 550 MPa

  • Bu lông neo chân cột dạng “J” hay “L” là phù hợp?

Thực tế lắp dựng cho thấy bu lông neo hình dạng “L” là phù hợp trong phần lớn các trường hợp. Bu lông “L” có thế xoay trở dễ dàng trong cốt thép của bê tông. Trong khi đó bu lông “J” rất ít có khả năng xoay trở, việc lắp đặt bu lông có khi không thể thực hiện được do vướng cốt thép bê tông.

Chiều dài bu lông neo không nhỏ hơn 20 lần đường kính bu lông. Có thể áp dụng Tiêu chuẩn JIS B 1178 cho việc chọn bu lông neo.

  • Ốn định của cấu kiện khung nhà thép là gì?

Ốn định là sự duy trì cấu kiện ở trang thái mà không xảy ra hiện tượng chuyển vị ngang và xoắn thường gọi là “oằn” dưới tác dụng của tải trọng.

Ở mô hình thiết kế, tư thế của tiết diện chịu lực là không đổi. Tuy nhiên sự chuyển vị và xoắn của tiết diện có thể xảy ra. Khi đó sức bền của cấu kiện giảm nhanh do tư thế chịu lực của nó ở điều kiện bất lợi. Tác dụng này gây hiệu ứng dây chuyền : Độ bền giảm – sự oằn phát triển – độ bền giảm hơn nữa cho đến khi cấu kiện bị phá hủy.

Tiêu chuẩn thiết kế có thể cho biết giới hạn bền của cấu kiện khi mất ổn định. Để tăng cường sức bền cho cấu kiện, một số biện pháp chống oằn được áp dụng để giữ tính ống định của cấu kiện trong kết cấu như: sườn tăng cứng, thanh chống ổn định v.v….Ti giằng xà gồ cũng là một phần tử duy trì sử ốn định của cấu kiện xà gồ.

Phần lớn kết cấu khung nhà thép sử dụng thép tổ hợp có tiết diện mảnh. Sự mất ốn định thường xảy ra, và là yếu tố chính làm cho cấu kiện không đạt độ bền cần thiết.

buckling

  • Sử dụng Bu lông liên kết ở cấp độ bền nào?

Cấp độ bền của bu lông theo ISO 898- 1 2009 có các cấp như sau:
 4.6, 4.8, 5.8, 6.8, 8.8, 10.9 và 12.9

Chữ số đầu của cấp độ bền nhân với 100 là giới hạn bền của bu lông tính bằng MPa.

Chữ số sau dấu “.” Nhân với 10 cho biết giới hạn chảy tính theo % so với giới hạn bền.

Ví dụ: bu lông  4.6 và 4.8 có cùng giới hạn bền là 400 Mpa
          bu lông 4.6 có giới hạn chảy bằng 60% giới hạn bền
          bu lông 4.8 có giới hạn chảy bằng 80% giới hạn bền

  • Thiết kế đường hàn hay áp dụng tiêu chuẩn hàn?

Thiết kế đường hàn là quá trình chọn mối hàn và đặc trưng kỹ thuật bảo đảm cho liên kết đủ bền dưới tác dụng của tải trọng. Tuy nhiên việc thiết kế đường hàn đòi hỏi một chuyên viên thiết kế kết cấu am hiểu về thiết kế đường hàn và môt khoảng thời gian đáng kể để xác định các đặc trưng của đường hàn đáp ứng được yêu cầu.

Với số lượng đường hàn trong kết cấu khá lớn nên việc thiết kế đường hàn trở nên khó thực hiện. Vì vậy tiêu chuẩn đường hàn ra đời nhằm giải quyết các hạn chế về thiết kế đường hàn, không có khả năng thiết kế hoặc không đủ điều kiện để thiết kế.

Do tiêu chuẩn không có được tải trọng tác động lên cấu kiện cho nên tiêu chuẩn luôn đặt cấu kiện ở trang thải chịu tải trong lớn nhất có thể được để cho mối hàn luôn đủ bền.
Nếu cấu kiện chịu tải trọng nhỏ hơn, mối hàn sẽ thừa bền. Đối khi thừa đáng kể nữa là khác.
Như vậy, nếu chúng ta có điều kiện để thiết kế đường hàn, liệu có mâu thuẫn với tiêu chuẩn đường hàn hay không?

Câu trả lời là không.

Hoàn toàn hợp lý nếu ta có tải trọng cụ thể, và phương pháp thiết kế đường hàn phù hợp, kết quả hoàn toàn chấp nhận được. Về mặt logic mà nói, kết quả này đáng tin cậy và kinh tế hơn mối hàn lấy từ tiêu chuẩn.

  • Mối hàn một phía (one-sided weld) hay mối hàn hai phía (two-sided weld)  trong kèo thép ?

Hàn một phía được sử dụng và được đề cập tới trong các tài liệu của AISC

Về cơ bản, nếu bản bụng của dầm tổ hợp không chịu kéo, hoàn toàn có thể sử dụng đường hàn một phía để nối cánh dầm và bản bụng. Sau đây là các trích dẫn tiêu chuẩn thiết kế của AISC.

a. Tiêu chuẩn ANSI/AISC 358-05: “PREQUALIFIED CONNECTIONS FOR SPECIAL AND INTERMEDIATE STEEL MOMENT FRAMES FOR SEISMIC APPLICATIONS” Chương6.2 trang 70 mục        C6.3  dòng  5 cho phép sử dụng mối hàn một phía  giữa bản bụng và bản cánh đối với thép tổ hợp.Trừ ở đầu dầm, khoảng có chiều dài dầm là 3 lần bề rộng cánh đến vị trí mặt bích liên kết với dầm khác, cần được hàn hai phía.
Tài liệu thiết kế của  AISC- MBMA “Design Guide 25 Frame Design Using Tapered Member” Mục 1.4 “ Fabrication of Wed Tapered Member” có đoạn:

b. Mối hàn tự động một phía được sử dụng trong sản xuất cấu kiện tiết diện thay đối trong công nghiệp nhà thép đã có lịch sử lâu dài về  đặc tính mong muốn đã đáp ứng được. Mối hàn hai phía không cần thiết trừ khi độ bền của mối hàn được tính toán vượt quá độ bền của mối hàn một phía. Nghiên cứu của Chen (2001) chỉ ra rằng mối hàn một phía được chấp nhận để truyền lực cắt (lược dịch)

  • Thử nghiệm mối hàn không phá hủy  (NDT) của kết cấu thép như thế nào là phù hợp?

Thử nghiệm mối hàn là để xác định mối hàn có đáp ứng được yêu cầu sử dụng hay không.

Mối hàn chủ yếu có chức năng liên kết chịu lực , làm kín và kết hợp.

Việc sử dụng phương pháp thử nghiệm nào phù hợp dựa trên cơ sở:

a. Mục tiêu của thử nghiệm: chịu lực hay làm kín

b. Lực tác động trên mối hàn mối hàn so với với khả năng chịu lực của nó

c. Tầm quan trọng của mối hàn và hậu quả xảy ra khi mối hàn bị lỗi

d. Mức độ khiếm khuyết  của mối hàn bằng cảm quan

Bảng Ứng dụng và phương pháp thử điển hình dưới đây giải thích cách lựa chọn Phương pháp thử.

NDE

Thử nghiệm không phá hủy nêu trong tiêu chuẩn AS NZS 1554.1:2004 Structural Steel Welding có nêu.

NDT tiến hành hai bước:

- Bước 1: Thử cảm quan, Thử thẩm thấu và Thử bột từ. Nếu khuyết tật vượt quá giới hạn cho phép trong bảng 6.2.2 tiến hành bước 2

- Bước 2: Thử nghiệm theo hướng dẫn của Bảng 7.4

Extend_MDE