Nghiên cứu sự làm việc không gian của khung thép nhẹ nhà công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG
TRƯ
ỜNG ĐẠI HỌC
KI
ẾN TRÚC HÀ NỘI

PH
ẠM NGỌC HI
ẾU
NGHIÊN C
ỨU SỰ L
ÀM VIỆC KHÔNG GIAN
C
ỦA KHUNG THÉP NHẸ TRONG NHÀ CÔNG
NGHI
ỆP
LU
ẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG
VÀ CÔNG NGHI
ỆP
HÀ NỘI - 2011
B
Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
B
Ộ XÂY DỰNG
TRƯ
ỜNG ĐẠI HỌC
KI
ẾN TRÚC
HÀ N

ỘI

PH
ẠM NGỌC HIẾU
KHÓA: 2008-2011 L
ỚP:
CH2008X1
NGHIÊN C
ỨU SỰ LÀM VIỆC KHÔNG GIAN
C
ỦA KHUN
G THÉP NH
Ẹ TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP
LU
ẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: XÂY D
ỰNG CÔNG TRÌNH DÂ
N D
ỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
MÃ S
Ố:
60.58.20
NGƯ
ỜI
HƯ
ỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PH
ẠM MINH H
À
HÀ N

ỘI
- 2011
Lời cảm ơn
Trớc hết tôi xin bày tỏ tình cảm biết ơn chân thành tới tất cả các thày
cô giáo trong Khoa Sau đại học Trờng Đại học Kiến Trúc Hà Nội vì
những giúp đỡ và chỉ dẫn hữu ích trong quá trình học tập cũng nh khi tiến
hành làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo trong Tiểu ban đánh giá đề
cơng chi tiết và kiểm tra tiến độ - Trờng Đại học Kiến Trúc Hà Nội đã có
những ý kiến đóng góp quý báu cho bản thảo của luận văn. Đặc biệt, tôi xin
cảm ơn TS. Phạm Minh Hà đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp hớng dẫn và đa ra
nhiều ý kiến quý báu, cũng nh tạo điều kiện thuận lợi cung cấp tài liệu và
động viên tôi trong quá trình hoàn thành luận văn.
Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong
quá trình học tập và nghiên cứu.
Tác giả
Phạm Ngọc Hiếu
Lời cam đoan danh dự
Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và cha từng đợc ai công bố trong bất cứ công
trình nào khác.
Tác giả
Phạm Ngọc Hiếu
Mở đầu
1. Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, do yêu cầu của thực tế nên hiện có rất
nhiều công trình công nghiệp đã và đang đợc xây dựng trên khắp mọi miền đất
nớc. Một đặc điểm dễ nhận thấy là kết cấu chịu lực chính của hầu hết các công trình
này là khung thép nhẹ tiền chế có tiết diện đặc dạng chữ I tổ hợp hàn với kết cấu bao
che rất gọn nhẹ. Ưu điểm nổi bật của loại khung này là giảm đợc đáng kể chi phí

chế tạo và chi phí vật liệu thép, giảm đợc kích thớc móng nhờ trọng lợng nhẹ, dễ
vận chuyển và thi công nhanh, có thể áp dụng đợc công nghệ hiện đại trong gia công
và hàn liên kết các cấu kiện và chi tiết.
Trong thiết kế, để đơn giản hoá ngời ta thờng sử dụng mô hình khung
phẳng. Điều này là khá phù hợp với những nhà dài, chịu tải trọng phân bố đều.
Tuy nhiên, trong thực tế các khung không đứng riêng lẻ và giữa chúng có các
liên kết dọc với nhau thông qua hệ giằng, mái cứng, dầm cầu trục tạo thành hệ
không gian. Vì vậy khi có tải trong tác dụng cục bộ lên một khung thì các khung
lân cận sẽ cùng tham gia chịu lực, do đó nội lực và chuyển vị của khung sẽ giảm
đi. Trong một số trờng hợp, để xét đến sự làm việc không gian của khung, ngời
ta thờng sử dụng các hệ số không gian trong quá trình tính toán. Các hệ số này
đợc xác định bằng các phơng pháp của cơ học công trình thông qua việc xét
ảnh hởng riêng biệt của một số yếu tố đến sự làm việc không gian của khung,
chẳng hạn nh hệ giằng, tấm mái Vấn đề này đã đợc trình bày tóm tắt trong
một số tài liệu [4,8,10,11]. Ngoài ra, đối tợng và kết quả khảo sát chủ yếu là
khung thép của nhà công nghiệp theo kiểu của Liên-xô cũ có cột bậc và sử dụng
tấm lợp panen BTCT. Đối với khung thép nhẹ hiện đợc áp dụng phổ biến trong
thực tế, hầu nh cha có sự nghiên cứu, khảo sát sự làm việc không gian của loại
khung này. Vì lý do kể trên, tác giả đã chọn đề tài Nghiên cứu sự làm việc
không gian của khung thép nhẹ trong nhà công nghiệpvới mục đích đánh giá
sự làm việc không gian của khung thép nhẹ và ảnh hởng của nó đến nội lực và
chuyển vị của khung thông qua việc sử dụng phần mềm phân tích kết cấu hiện
đại.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu sự làm việc không gian, đánh giá ảnh hởng của nó đến nội
lực và chuyển vị của khung thép nhẹ trong nhà công nghiệp.
3. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu
- Khung thép nhẹ của nhà công nghiệp một tầng một nhịp (có hoặc không
có cầu trục).
- Nghiên cứu sự làm việc không gian của khung thép trong nhà công

nghiệp một tầng có xét đến ảnh hởng của hệ giằng và dầm cầu trục.
Chơng 1
Tổng quan về khung thép nhẹ của nhà công nghiệp
1.1. Giới thiệu chung
Nhà công nghiệp một tầng đợc sử dụng rộng rãi trong các công trình xây
dựng công nghiệp. Kết cấu chịu lực có thể dùng vật liệu thép hoặc bêtông. Khi
dùng cột bêtông, vì kèo thép thì kết cấu gọi là khung liên hợp. Khi dùng tất cả
các cấu kiện bằng thép, thì khung đợc gọi là khung toàn thép (Hình 1.1). Việc
chọn vật liệu phải dựa trên cơ sở hợp lý về kinh tế kỹ thuật, trớc hết căn cứ
vào kích thớc nhà, tải trọng cầu trục, các yêu cầu về công nghệ sản xuất, kể cả
những vấn đề liên quan đến cung cấp vật t, và thời gian xây dựng công trình.
Tải trọng cầu trục ảnh hởng rất lớn đến sự làm việc của khung nhà công
nghiệp. Đây là tải động và lặp, dễ làm kết cấu bị phá hoại do hiện tợng mỏi. Khi
thiết kế, cần quan tâm đến cờng độ làm việc của cầu trục gọi là chế độ làm việc
của cầu trục.
Từ các điều kiện kinh tế kỹ thuật, kết cấu thép áp dụng hợp lý và có hiệu
quả cho nhà công nghiệp trong các điều kiện sau:
- Nhà có độ cao lớn, nhịp rộng, bớc cột lớn, cầu trục nặng - do thép có
tính năng cơ học cao.
- Dùng khung thép cho nhà có cầu trục chế độ làm việc rất nặng, nhà chịu
tải trọng động liên tục là rất hợp lý vì kết cấu thép làm việc chịu tác động lặp của
tải trọng động lực an toàn hơn các 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.
- Nhà xây dựng tại những vùng xa, điệu kiện vận chuyển khó khăn. Kết cấu
thép nhẹ dễ vận chuyển, lắp dựng nhanh, sớm đa vào sử dụng.
a) khung thÐp truyÒn thèng
b) Khung thÐp nhÑ
H×nh 1.1. Khung thÐp nhµ c«ng nghiÖp
a) Cầu trục dầm đơn b) Cầu trục dầm đôi

Hình1.2 . Cầu trục trong nhà công nghiệp
Trong các hình ảnh trên, hình 1.1.a là khung nhà công nghiệp truyền thống
với tiết diện cột bậc rỗng, mái là dàn thép, tấm lợp dạng panel bêtông cốt thép rất
nặng nề. Loại khung này có kích thớc rất cồng kềnh nên việc vận chuyển và
dựng lắp khó khăn, chi phí chế tạo cao, tốn kém vật liệu, do đó làm tăng đáng kể
chi phí xây lắp, hiệu quả kinh tế thấp. Hình 1.1.b giới thiệu về hình ảnh là công
nghiệp khung nhẹ đợc sử dụng rất rộng rãi trong các nhà công nghiệp ở Việt
Nam với tiết diện cột, dầm chữ I. Hiện nay, khoảng 70% các công trình công
nghiệp đều dùng loại nhà này. Loại khung này có trọng lợng và kích thớc rất
gọn nhẹ và đa dạng về hình thức. Toàn bộ các cấu kiện, bộ phận đều đợc thiết
kế và sản xuất đồng bộ tại nhà máy và đem ra lắp dựng ngoài công trờng. Khi
vận chuyển đến công trờng, chỉ cần thao tác lắp dựng để tạo nên một công trình
hoàn chỉnh, do vậy dễ kiểm soát đợc chất lợng, tính chuyên nghiệp hoá cao,
giảm thiểu đợc thời gian thi công công trình.
Tuy nhiên vấn đề thiết kế khung thép nhẹ hiện nay chủ yếu theo tiêu chuẩn
nớc ngoài, Việt Nam cha có tiêu chuẩn tơng đơng, nên cần thiết đầu t vào
nghiên cứu để có thể mở rộng và phát triển loại khung này ở Việt Nam.
1.2. Đặc điểm cấu tạo của nhà công nghiệp sử dụng khung thép nhẹ
Hình 1.3 dới đây thể hiện cấu tạo điển hình một nhà công nghiệp sử dụng
khung thép nhẹ
Hình 1.3. Cấu tạo chung nhà công nghiệp khung thép nhẹ
1. Kèo hồi; 2. Xà gồ mái; 3. Khung thép; 4. Cửa trời; 5. Tấm lợp mái; 6. Tấm lấy
sáng; 7. Máng nớc; 8. Cửa chớp tôn; 9. Cửa đẩy; 10. Tấm lợp thng tờng; 11.
Cửa sổ; 12. Cột khung; 13. Giằng cột, giằng mái; 14. Tờng xây bao; 15. Xà gồ
tờng; 16. Cửa cuốn, cửa đẩy; 17. Mái hắt; 18. Cột hồi.
Nhìn chung, cá bộ phận chính của nhà khung thép nhẹ bao gồm:
- Kết cấu khung ngang chịu lực
- Hệ giằng mái, giằng cột
- Dầm cầu trục
- Kết cấu mái

- Tờng bao che.
1.2.1. Kết cấu khung ngang chịu lực
Kết cấu khung là thành phần chính chịu lực của nhà. Tiết diện dầm, cột có
dạng tổ hợp chữ I, có chiều cao không đổi hoặc vát. Việc lựa chọn sơ đồ khung
phù hợp có vai trò rất quan trọng vì có ảnh hởng trực tiếp đến việc sử dụng và
giá thành công trình. Sơ đồ kết cấu khung hợp lý không chỉ liên quan đến tính
hiệu quả trong chi phí vật liệu mà còn làm cho cấu tạo khung đơn giản, thuận
tiện cho việc định hình hoá, kết cấu làm việc hợp lý, việc thi công dựng lắp
nhanh chóng. Khi lựa chọn sơ đồ kết cấu cần chú ý tới một số yếu tố cơ bản sau:
yêu cầu sử dụng và công năng của công trình, việc thoát nớc mái, hớng của
công trình, bớc cột
Từ yêu cầu của chủ đầu t, căn cứ vào công năng, sự làm việc hợp lý của kết
cấu, sự phát triển trong tơng lai, mà ngời thiết kế lựa chọn ra sơ đồ khung tối u.
Các kiểu khung thép nhẹ trong thực tế thờng rất đa dạng.
1.2.2. Hệ giằng mái, giằng cột
Đối với nhà công nghiệp, hệ giằng đóng vai trò rất quan trọng.
Hệ giằng mái trong nhà công nghiệp sử dụng khung thép nhẹ đợc bố trí
theo phơng ngang nhà tại hai gian đầu hồi (hoặc gần đầu hồi), đầu các khối
nhiệt độ và ở một số gian giữa nhà tuỳ thuộc vào chiều dài nhà, sao cho khoảng
cách giữa các giằng bố trí không quá 5 bớc cột. Bản bụng của hai xà ngang cạnh
nhau đợc nối bởi các thanh giằng chéo chữ thập. Các thanh giằng chéo này có
thể là thép góc, thép tròn hoặc cáp thép mạ kẽm đờng kính không nhỏ hơn
12
mm. Ngoài ra, cần bố trí các thanh chống dọc bằng thép hình (thờng là thép
góc) tại những vị trí quan trọng nh đỉnh mái, đầu xà (cột), chân cửa mái
Trờng hợp nhà có cầu trục, cần bố trí thêm các thanh giằng chéo chữ thập
dọc theo đầu cột để tăng độ cứng cho khung ngang theo phơng dọc nhà và
truyền các tải trọng ngang nh tải trọng gió, lực hãm cầu trục ra các khung lân
cận.
Hệ giằng cột có tác dụng bảo đảm độ cứng dọc nhà và giữ ổn định cho cột,

tiếp nhận và truyền xuống móng các tải trọng tác dụng theo phơng dọc nhà nh
tải trọng gió lên tờng hồi, lực hãm dọc nhà của cầu trục. Hệ giằng cột gồm các
thanh giằng chéo đợc bố trí trong phạm vi cột trên và cột dới tại những gian có
hệ giằng mái.
Trờng hợp nhà không có cầu trục hoặc nhà có cầu trục với sức nâng dới
15 tấn có thể dùng thanh giằng chéo chữ thập bằng thép tròn đờng kính không
nhỏ hơn 20mm. Nếu sức trục trên 15 tấn cần dùng thép hình, thờng là thép góc.
Độ mảnh của thanh giằng không đợc vợt quá 200.
Trớc đây hệ giằng cha đợc chú ý đúng mức, chỉ đợc xem có tác dụng
chủ yếu chịu gió, mà cha xét tới tác dụng trong các mặt khác. Qua nghiên cứu
và thực nghiệm đã chứng tỏ hệ giằng có tác dụng sau:
+ Làm cho sờn nhà có độ cứng tốt, độ cứng này đảm bảo đợc cho kết cấu
sử dụng đợc bình thờng
+ Giảm chiều dài tự do để tăng ổn định tổng thể của các cấu kiện. Bảo đảm
cho kết cấu có cờng độ và độ ổn định tốt cho các cấu kiện chịu nén của kết cấu:
dầm, cột, Vì nó giảm chiều dài tính toán của cột theo phơng trong và ngoài
mặt phẳng uốn.
+ Bảo đảm cho kết cấu làm việc không gian, tăng độ cứng ngang và hớng
dọc của kết cấu, tiết kiệm vật liệu xây dựng. Bảo đảm sự bất biến hình của kết
cấu.
+ Chịu tác dụng của lực gió và lực hãm của xe cầu chạy, tác dụng theo
phơng dọc nhà vuông góc với phơng mặt phẳng khung, đồng thời làm cho nội
lực từ điểm tác dụng truyền đến móng của nhà xởng theo con đờng ngắn nhất.
+ Bảo đảm việc dựng lắp kết cấu đợc vững chắc, an toàn và tiện lợi.
+ Do thiết bị treo gây ra tải trọng trực tiếp tác dụng lên kết cấu mái, nhờ có
hệ giằng sẽ đem tải trọng gió đó phân phối lại cho các cấu kiện chịu lực chủ yếu
của nhà xởng.
a) Cấu tạo giằng cột
b) Liên kết giằng mái với xà
Hình 1.4. Cấu tạo giằng cột, giằng mái

1.2.3. Dầm cầu trục
Dầm cầu trục trong nhà công nghiệp dùng khung thép nhẹ thờng là dầm đơn
giản. Khi chất tải tìm nội lực bất lợi nhất phải xét đến tải trong do một hoặc hai
cầu trục làm việc đồng thời trong một nhịp. Nếu cầu trục điều khiển bằng cáp hoặc
cabin cần xét tới ảnh hởng của lực hãm. Tiết diện dầm cầu trục thờng có dạng
chữ I tổ hợp. Việc thiết kế dầm cầu trục cần tuân thủ các yêu cầu và quy định
chung trong quy phạm.
Hình 1.5. Dầm cầu trục trong nhà công nghiệp khung thép nhẹ
1.2.4. Kết cấu mái
Trong nhà công nghiệp dùng khung thép nhẹ, kết cấu mái thông thờng là
loại mái có xà gồ, dùng để đỡ các tấm lợp nhẹ. Tấm lợp thờng là tôn mạ hoặc
sơn sẵn. Màu sắc, hình dạng và kích cỡ của các tấm lợp rất đa dạng. Có thể phân
thành 2 nhóm chính là loại có sẵn lớp cách nhiệt và loại không có lớp cách nhiệt.
Việc lựa chọn tấm lợp đợc quyết định bởi chủ đầu t, các yêu cầu kiến trúc, yêu
cầu cách âm và chiếu sáng, điều kiện nhiệt độ và công năng sử dụng của công
trình
a) Tấm lợp tôn
b) Tấm lợp có lớp cách nhiệt
Hình 1.6. Cấu tạo một số loại tấm lợp thông dụng
Độ dốc của mái đợc lựa chọn phụ thuộc vào nhịp khung. Khi lựa chọn độ
dốc cần đảm bảo yêu cầu thoát nớc nhanh và độ ổn định của mái. Tăng độ dốc
của mái mặc dù làm giảm đợc độ võng cho nhịp nhng sẽ làm tăng diện tích
tấm lợp và tăng trị số của tải trọng gió tác dụng vào đầu cột.
Xà gồ đỡ tấm lợp thờng sử dụng thép hình U, I cán nóng hoặc thép thành
mỏng dập nguội C, Z. Loại thép hình dập nguội hiện đợc sử dụng rộng rãi vì có
trọng lợng rất nhẹ, dễ cấu tạo mối nối liên tục tại các điểm nối của xà gồ. Xà gồ
trong thờng có tiết diện chữ Z, xà gồ biên dùng tiết diện chữ C (để tăng ổn định
cho vùng biên của mái và tạo góc).
Khoảng cách giữa các xà gồ phụ thuộc vào kích thớc tấm lợp, thông
thờng khoảng từ 1,5 đến 2m. Để xà gồ đợc liên tục và đảm bảo khả năng chịu

lực của mối nối xà gồ, với tiết diện chữ Z đặt phủ chồng lên nhau, tiết diện chữ
C đặt quay lng vào nhau (hình ) và bắt bu lông. Chiều dài mối phủ chồng cần
đủ khả năng truyền lực và cấu tạo liên kết. Bu lông liên kết có đờng kính không
nhỏ hơn 12 mm.
Hình 1.7. Xà gồ mái
Khi nhịp xà gồ nhỏ hơn 6m và khoảng cách giữa 2 xà gồ nhỏ, chiều dài
mối nối chồng là 130 mm (mỗi bên 65 mm). Khi nhịp xà gồ từ 6 đến 9m, chiều
dài mối nối chồng chọn bằng 770 mm. Khi nhịp xà gồ lớn trên 9m, khoảng cách
hai xà gồ lớn, đoạn nối chồng là 1500 mm.
1.2.5. Tờng bao che
Kết cấu tờng bao che thờng sử dụng hệ dầm tờng, liên kết làm khung
để đỡ các tấm kim loại (thờng là cùng loại với tấm lợp mái). Hệ dầm tờng là
các thép hình dập nguội chữ Z, C, đợc liên kết liên kết liên tục vào hệ khung
chịu lực thông qua các gối đỡ là các thép góc. Khoảng cách giữa các dầm tờng
thờng chọn từ 2 đến 3,5m. Hệ dầm tờng thờng chọn cùng loại với xà gồ đỡ
mái.
Dầm tờng bên thờng chọn cùng loại với xà gồ đỡ mái. Các điểm nối
dầm dùng mối nối chồng liên tục và dài.
Dầm hiên dùng loại tiết diện C uốn nguội, có chiều cao tiết diện 180 mm,
chiều dày từ 2 đến 2,5mm, đặt ở góc để đỡ tấm mái. Dầm hiên đợc tính toán
nh các dầm tờng khác. Tuy nhiên ngoài tĩnh tải, hoạt tải và tải trọng gió còn
cần kể tới lực dọc trục do hệ giằng gây ra.
Hình 1.8. Hệ dầm tờng bao che
1.3. Nguyên tắc thiết kế khung thép nhẹ
Việc thiết kế khung thép nhẹ đợc thực hiện theo quy định thiết kế tơng
tự nh khung thép truyền thống, bao gồm:
- Xác định kích thớc khung, sơ bộ tiết diện cột xà.
- Thiết kế xà gồ.
- Xác định tải trọng tác dụng: tĩnh tải, hoạt tải mái, tải cầu trục, tải gió.
- Đa vào mô hình tính, chạy bằng các phần mềm thông dụng nh Sap,

Etab, StapPro,
- Tổ hợp nội lực: các nguyên tắc tổ hợp, chọn cặp nội lực nguy hiểm ở chân
cột, đỉnh cột, đỉnh xà.
- Kiểm tra các điều kiện bền các cấu kiện, điều kiện độ biến dạng của
khung. Thờng đối với khung thép, điều kiện bền dễ đảm bảo, điều kiện độ võng
khó đảm bảo, đặc biệt là tính toán với khung phẳng. Vấn đề độ cứng khung càng
đợc coi trọng, và là vấn đề quyết định trong thiết kế. Khung thiết kế ra có tiết
diện sai lệch không nhiều với khung giả thiết ban đầu, thoả mãn khung thiết kế.
- Kiểm tra các điều kiện ổn định tổng thể, ổn định cục bộ.
- Thiết kế các chi tiết: bản đế chân cột, vai cột, mối nối đỉnh cột, đỉnh xà.
Tiêu chuẩn Việt Nam cha có quy định riêng về thiết kế khung thép nhẹ.
Khung thép nhẹ đợc thiết kế theo khung phẳng, cha có tài liệu kể đến sự
làm việc không gian của khung nhà.
Các vấn đề về ổn định, về chiều dài tính toán của cột vát cha có quy định
trong tiêu chuẩn.
Chơng 2
Nghiên cứu Sự làm việc không gian
của nhà khung thép nhẹ
Trong thiết kế khung thép nhà công nghiệp, ngời ta thờng phân thành
các khung phẳng để nhằm đơn giản hoá quá trình tính toán. Theo [7] thì điều này
là phù hợp với các tải trọng phân bố đều. Tuy nhiên trong thực tế các khung
phẳng này đợc liên kết với nhau thông qua các hệ giằng, dầm cầu trục tạo
thành hệ không gian chịu lực. Mặt khác, trong nhà công nghiệp có cầu trục, tải
trọng cầu trục (áp lực đứng, lực hãm ngang) là những tải trọng chỉ tác dụng trực
tiếp lên một hoặc vài khung. Việc tính toán khung thép truyền thống có kể đến sự
làm việc không gian (thông qua hệ số không gian hay đa thêm các gối đàn hồi ở
đầu cột) đã đợc đề cập đến trong một số tài liệu [4,8,14]. Với sự trợ giúp của
các phần mềm phân tích kết cấu đủ mạnh hiện nay chúng tôi đã thực hiện việc
khảo sát nội lực và chuyển vị của khung thép nhẹ sử dụng mô hình không gian
của nhà có thể thực hiện tơng đối dễ dàng

2.1. Tính toán khung phẳng [7]
Lấy một khung điển hình (khung giữa nhà) tính toán với các thông số sau:
Nhịp khung (L), bớc cột (B), cao trình đỉnh ray (H
1
), độ dốc mái (i%), sức nâng
cầu trục (Q) và chế độ làm việc của cầu trục.
2.1.1. Xác định kích thớc khung
- Theo phơng ngang
Khoảng cách giữa hai trục định vị (nhịp khung) thờng có mô đun 6m hoặc
3m, có thể xác định theo công thức:
K 1
L=L +2L
(2.1)
Trong đó:
K
L
- nhịp của cầu trục;
1
L
- khoảng cách từ trục định vị đến trục ray cầu trục.
- Theo phơng đứng
Chiều cao của cột, tính từ mặt móng đến đỉnh cột (đáy xà):
1 2 3
H=H +H +H
. (2.2)
Trong đó:
1
H
- 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;

2
H
- chiều cao từ mặt ray cầu trục đến đáy xà ngang;
2 K K
H =H +b
; (lấy chẵn 100 mm) (2.3)
3
H
- phần cột chôn dới cốt mặt nền, lấy sơ bộ 1 m trở lại.
Chiều cao của phần cột trên, từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang:
t 2 dct r
H =H +H +H
(2.4)
Trong đó:
dct
H
- chiều cao dầm cầu trục;
r
H
- chiều cao của ray và đệm.
Chiều cao của phần cột dới, tính từ mặt móng đến mặt trên của vai cột:
d t
H = H - H
(2.5)
1
L L
1
b
K
z

L
Q
i
H
H
H
a
L
0.000
a
H
H
H
k
2
1
3
t
d
Hình 2.1. Các kích thớc chính của khung ngang
2.1.2. Xác định sơ bộ kích thớc tiết diện
Tiết diện cột chọn theo các điều kiện ổn định tổng thể, cục bộ và cấu tạo:
h (1/15 1/ 20)H
w
t (1/ 70 1/100)h 0,6
cm;
f
b (0,3 0,5)h
;
f f

t b f/E
;
f w
t t
.
Tiết diện xà chọn dựa vào tiết diện cột, có thể giả thiết tỉ số độ cứng của xà
và cột khoảng (
1 3
).
Khi lựa chọn tiết diện cột xà cần chú ý các điểm sau:
- Với sức trục lớn nên chọn phơng án cột bậc, trong đó cột dới có thể đặc
hoặc rỗng. Tiết diện dầm, cột nên chọn theo biểu đồ bao mô men của tải trọng để
tiết kiệm vật liệu.
- Giảm tối thiểu các liên kết trong dầm và cột bằng cách tăng tối đa chiều
dài các đoạn nối. Các mối nối cần bố trí ở vùng có nội lực nhỏ. Chiều dài các
đoạn nối (đoạn chuyên chở) nên lấy mô đun 3m (3, 6, 9, 12 m). Khi chọn kích
thớc các đoạn nối, ngoài điều kiện chịu lực cần chú ý đến điều kiện chuyên chở
và cẩu lắp (chiều dài tối đa của đoạn nối là 12m, trọng lợng không quá 2 tấn);
- Nếu thay đổi tiết diện dầm hay cột thì chỉ nên thay đổi bề rộng bản bụng
còn tiết diện bản cánh không thay đổi;
- Mối nối tại hiện trờng nên dùng liên kết mặt bích bằng các bu lông;
- Bề rộng của bản bụng dầm không nhỏ hơn 180mm và không quá 1500
mm; bề dày không nhỏ hơn 3mm và không quá 12mm. Tiết diện bản cánh dầm
chọn bề rộng trong khoảng từ 130 đến 380mm; bề dày từ 5 đến 25mm [11,12];
- Bề rộng của bản cánh trên và dới nh nhau. Chiều dày giữa các đoạn nối
của bản cánh có thể khác nhau, nhng không chênh lệch quá 6mm. Mối nối cánh
cần vuông góc với trục bản cánh. Cánh trên dầm cần nối thẳng, cánh dới có thể
nối xiên gãy khúc với góc nghiêng chênh lệch không quá 28
0
;

- Tại vùng nách khung, chiều cao tiết diện dầm tốt nhất là bằng chiều cao
tiết diện cột để dễ cấu tạo và tránh thay đổi đột ngột độ cứng. Trờng hợp theo
điều kiện chịu lực, chiều cao tiết diện dầm và cột khác nhau thì độ chênh lệch
không chọn quá 200 mm.
2.1.3. Mô hình tính toán
Cột và xà ngang trong khung thép nhẹ thờng có dạng tiết diện chữ I tổ
hợp hàn. Tiết diện cột khung có thể không đổi hoặc thay đổi tuyến tính (cột vát
hình nêm). Trong trờng hợp chiều dài của xà ngang lớn, có thể chia thành các
đoạn chuyên chở. Chiều dài của các đoạn chuyên chở đợc chọn căn cứ vào điều
kiện vận chuyển, chế tạo (chiều dài của thép cán), kết hợp làm vị trí thay đổi tiết
diện căn cứ vào sự phân bố mô men trong xà. Thông thờng, chiều dài đoạn
chuyên chở có mô đun
3
m và không nên vợt quá
12
m.
Liên kết giữa cột với xà ngang thờng cấu tạo là ngàm (liên kết cứng) để
tăng độ cứng và giảm biến dạng của khung. Liên kết cột khung với móng có thể
là ngàm hoặc khớp. Liên kết khớp thờng dùng để giảm kích thớc móng hoặc
khi nền đất yếu để không có mô men ở chân cột (Hình 2.2a). Liên kết ngàm đợc
dùng để tăng độ ổn định cho khung ngang trong trờng hợp khung chịu tải trọng
khá lớn (nhà có cầu trục) hoặc khi chiều cao hay nhịp khung lớn (Hình 2.2b).
a) Cột liên kết khớp với móng b) Cột liên kết ngàm với móng
Hình 2.2. Sơ đồ tính khung ngang
2.1.4. Tải trọng tác dụng lên khung ngang
Tải trọng tác dụng lên khung ngang thông thờng bao gồm tải trọng
thờng xuyên (tĩnh tải), hoạt tải thi công hoặc sửa chữa mái, tải trọng cầu trục và tải
trọng gió.
- Tải trọng thờng xuyên (tĩnh tải)
Tĩnh tải tác dụng lên khung ngang bao gồm:

+ Trọng lợng của tấm lợp và xà gồ
+ Trọng lợng bản thân kết cấu và hệ giằng
+ Trọng lợng dầm cầu trục
- Hoạt tải mái
Theo TCVN 2737-1995 [3], trị số của hoạt tải sửa chữa hoặc thi công mái
phụ thuộc vào loại mái. Với mái lợp vật liệu nhẹ nh tôn, fibrôximăng trị số
tiêu chuẩn của hoạt tải mái
tc
p =0,3
kN/m
2
, hệ số vợt tải tơng ứng

p
1,3
.
- Hoạt tải cầu trục
Hoạt tải cầu trục tác dụng lên khung ngang bao gồm áp lực đứng và lực
hãm ngang của cầu trục. Các tải trọng này thông qua các bánh xe cầu trục truyền
lên vai cột.
Trị số của áp lực đứng và lực hãm ngang tính toán của cầu xác định theo
công thức:

max c p max i
D =n P y

; (2.6)

min c p min i
D n P y

. (2.7)
max max
M =D e
; (2.8)
min min
M =D e
. (2.9)
p

c 1 i
T = n T y

. (2.10)
Trong đó:

p
- hệ số vợt tải của hoạt tải cầu trục,
p
1,1
;
c
n
- hệ số tổ hợp, lấy bằng 0,85 khi xét tải trọng do hai cầu trục chế độ làm
việc nhẹ hoặc trung bình; 0,9 - với hai cầu trục chế độ làm việc nặng;
max
P
,
min
P

- áp lực lớn nhất và tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục lên ray;
1
T
- lực hãm ngang tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục;
e
- độ lệch tâm, là khoảng cách từ trục ray cầu trục đến trục cột ;
i
y
- tung độ đờng ảnh hởng của phản lực vai cột.
Hình 2.3. Sơ đồ chất tải để xác định D
max
- Tải trọng gió
Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang phụ thuộc vào địa điểm xây dựng và
hình dáng công trình. Trị số của tải trọng gió tác dụng lên cột và xà ngang có thể
xác định theo công thức:

p 0
W= W kcB
. (2.11)
Trong đó:
p

- hệ số vợt tải của tải trọng gió,

p
1,2
;
0
W
- áp lực gió tiêu chuẩn, phụ thuộc vào phân vùng gió (địa điểm xây

dựng);
k
- hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao, phụ thuộc vào dạng địa
hình;
c
- hệ số khí động, phụ thuộc vào hình dạng nhà (Hình 2.5);
B
- bề rộng diện truyền tải trọng gió vào khung (bớc khung).
Hình 2.4. Sơ đồ xác định hệ số khí động với tải trọng gió trái
Trị số của
0
w
,
k
,
c
có thể xác định theo bảng tra. Trờng hợp nhà có chiều
cao không vợt quá
10
m, tải trọng gió đợc coi là không đổi. Với nhà có chiều
cao trên
10
m, tải trọng gió phân bố theo quy luật hình thang, do đó để thuận tiện
trong tính toán có thể quy đổi thành tải trọng phân bố đều trên suốt chiều cao của