Bài giảng Kết cấu thép: Phần 2 - PGS.TS. Nguyễn Hồng Sơn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
KHOA XÂY DỰNG

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

KẾT CẤU THÉP P2
Mã số: XD 33.3
Chủ biên:

PGS.TS. Nguyễn Hồng Sơn

Thành viên tham gia: Ths. Vũ Quang Duẩn
Ths. Mai Trọng Nghĩa
Ths. Nguyễn Thanh Tùng

HÀ NỘI, THÁNG 6 NĂM 2016


2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
KHOA XÂY DỰNG

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

KẾT CẤU THÉP P2
Mã số: XD 33.3
Chủ biên:

PGS.TS. Nguyễn Hồng Sơn

Thành viên tham gia: Ths. Vũ Quang Duẩn
Ths. Mai Trọng Nghĩa
Ths. Nguyễn Thanh Tùng

Hà Nội, ngày

tháng

CHỦ BIÊN

năm 2016

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2016

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN


3

MỤC LỤC
BÀI 1. ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG THÉP ......................... 13
1.1. Đặc điểm chung ........................................................................................ 13
1.2. Các yêu cầu khi thiết kế khung ngang ................................................... 14
1.2.1. Yêu cầu về sử dụng ..................................................................... 14
1.2.2. Yêu cầu về kinh tế ....................................................................... 14
1.3. Một số hình ảnh về khung thép nhà cơng nghiệp ................................. 15

1.3.1. Hình ảnh cấu tạo chung của nhà cơng nghiệp ............................. 15
1.3.2. Hình ảnh cấu tạo chi tiết của nhà công nghiệp ............................ 15
BÀI 2. CẤU TẠO NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG ...................................... 17
2.1. Các bộ phận chính của kết cấu nhà cơng nghiệp một tầng .................. 17
2.2. Bố trí hệ lưới cột ....................................................................................... 17
2.3. Kích thước khung ngang ......................................................................... 18
2.3.1. Sơ đồ khung ngang ...................................................................... 18
2.3.2. Kích thước chính của khung một nhịp ........................................ 21
2.4. Hệ giằng khung nhà công nghiệp ........................................................... 23
2.4.1. Hệ giằng mái ............................................................................... 23
2.4.2. Hệ giằng cột................................................................................. 26
2.4.3. Đặc điểm tính tốn hệ giằng (tự đọc tài liệu) .............................. 26
BÀI 3. TÍNH TỐN KHUNG NGANG ................................................................ 28
3.1. Sơ đồ tính khung ...................................................................................... 28
3.2. Tải trọng tác dụng lên khung ngang ...................................................... 29
3.2.1. Tải trọng thường xuyên ............................................................... 29
3.2.2. Tải trọng cầu trục ........................................................................ 31
3.2.3. Tải trọng tạm thời trên mái .......................................................... 33
3.2.4. Tải trọng gió ................................................................................ 33
3.3. Tính nội lực khung và tổ hợp nội lực ..................................................... 34
3.3.1. Tính nội lực khung ...................................................................... 34
3.3.2. Tổ hợp nội lực ............................................................................. 35
3.3.3. Các trường hợp chất tải khung - ví dụ minh họa ......................... 36
3.4. Kiểm tra sơ bộ chuyển vị khung ngang ................................................. 37
3.4.1. Chuyển vị ngang ở đỉnh cột ........................................................ 38


4
3.4.2. Chuyển vị đứng ở đỉnh khung (xem xét trong trường hợp có
u cầu) ........................................................................................... 38

3.5. Sự làm việc khơng gian của nhà (tự đọc tài liệu) .................................. 39
3.5.1. Ảnh hưởng của hệ giằng dọc ....................................................... 39
3.5.2. Ảnh hưởng của mái cứng ............................................................ 39
BÀI 4. THIẾT KẾ CẤU KIỆN VÀ CHI TIẾT LIÊN KẾT ................................ 41
4.1. Cấu tạo và tính tốn cột ........................................................................... 41
4.1.1. Chiều dài tính tốn cột ................................................................ 41
4.1.2. Chọn và kiểm tra tiết diện cột đặc ............................................... 43
4.1.3. Kiểm tra ổn định tổng thể cột tiết diện vát (tham khảo) ............. 48
4.2. Cấu tạo và tính tốn xà ............................................................................ 50
4.2.1. Chọn tiết diện .............................................................................. 50
4.2.2. Kiểm tra tiết diện ......................................................................... 51
4.2.3. Kiểm tra ổn định tổng thể xà ngang tiết diện vát ........................ 51
4.3. Cấu tạo và tính tốn vai cột..................................................................... 52
4.3.1. Vai cột có cột dưới tiết diện đặc.................................................. 52
4.3.2. Vai cột có cột dưới tiết diện rỗng (tự đọc tài liệu) ...................... 55
4.4. Cấu tạo và tính tốn chân cột ................................................................. 56
4.4.1. Tính tốn bản đế .......................................................................... 56
4.4.2. Tính tốn dầm đế ......................................................................... 60
4.4.3. Tính tốn sườn A và sườn B ....................................................... 60
4.4.4. Tính tốn bulơng neo................................................................... 61
4.4.5. Tính tốn đường hàn liên kết cột vào bản đế .............................. 62
4.5. Cấu tạo và tính tốn chi tiết liên kết cột với xà ngang.......................... 63
4.5.1. Tính tốn bu lơng liên kết ........................................................... 64
4.5.2. Tính tốn mặt bích ....................................................................... 65
4.5.3. Chiều dày bản bụng cột tại chỗ liên kết ...................................... 66
4.5.4. Tính tốn đường hàn liên kết cột và xà ngang với mặt bích ....... 66
4.6. Cấu tạo và tính tốn chi tiết liên kết nối xà với xà (ở nhịp) ................. 66
4.7. Cấu tạo và tính tốn chi tiết liên kết đỉnh xà ......................................... 68
4.7.1. Tính tốn bu lơng liên kết ........................................................... 68
4.7.2. Chiều dày của mặt bích ............................................................... 69

4.7.3. Chiều dài và chiều cao các đường hàn ........................................ 69


5
4.8. Sơ đồ khối tính tốn khung ngang .......................................................... 70
BÀI 5. KẾT CẤU MÁI ............................................................................................ 71
5.1. Cấu tạo mái ............................................................................................... 71
5.1.1. Mái có xà gồ ................................................................................ 71
5.1.2. Mái khơng xà gồ (tự đọc tài liệu) ................................................ 72
5.2. Cấu tạo và tính tốn xà gồ ....................................................................... 73
5.2.1. Xà gồ tiết diện đặc ....................................................................... 73
5.2.2. Xà gồ tiết diện rỗng (tự đọc tài liệu) ........................................... 79
BÀI 6. KẾT CẤU ĐỠ CẦU TRỤC ........................................................................ 81
6.1. Kết cấu đỡ cầu trục .................................................................................. 81
6.1.1. Các bộ phận kết cấu đỡ cầu trục.................................................. 81
6.1.2. Tải trọng tác dụng........................................................................ 83
6.2. Dầm cầu trục tiết diện đặc ...................................................................... 84
6.2.1. Cấu tạo tiết diện ........................................................................... 84
6.2.2. Tính tốn nội lực trong dầm ........................................................ 86
6.2.3. Chọn tiết diện dầm ...................................................................... 87
6.2.4. Kiểm tra tiết diện dầm về độ bền ................................................ 90
6.2.5. Kiểm tra bền mỏi ......................................................................... 93
6.2.6. Kiểm tra võng .............................................................................. 94
6.2.7. Kiểm tra ổn định tổng thể và ổn định cục bộ .............................. 95
6.2.8. Liên kết bản cánh và bản bụng .................................................... 95
6.2.9. Kiểm tra độ bền và bền mỏi với các trường hợp đặc biệt khác... 96
6.3. Các loại dầm cầu trục khác (tự đọc tài liệu) .......................................... 97
6.3.1. Giàn cầu trục ............................................................................... 97
6.3.2. Dầm cầu trục công xơn ............................................................... 99
6.3.3. Dầm cầu trục treo ........................................................................ 99

6.4. Các chi tiết liên kết dầm cầu trục ......................................................... 103
6.4.1. Gối dầm cầu trục ....................................................................... 103
6.4.2. Ray cầu trục và cách liên kết ..................................................... 105
6.4.3. Gối chắn cầu trục ....................................................................... 105
BÀI 7. HỆ SƯỜN TƯỜNG ................................................................................... 107
7.1. Tác dụng và phân loại ............................................................................ 107


6
7.1.1. Tác dụng .................................................................................... 107
7.1.2. Phân loại .................................................................................... 107
7.2. Bố trí hệ sườn tường .............................................................................. 107
7.2.1. Hệ sườn tường dọc nhà ............................................................. 107
7.2.2. Hệ sườn tường ngang nhà ......................................................... 108
7.3. Tính tốn hệ sườn tường ....................................................................... 108
7.3.1. Tính tốn dầm tường ................................................................. 108
7.3.2. Tính tốn cột sườn tường .......................................................... 110
VÍ DỤ TÍNH TỐN CHƯƠNG 1 ........................................................................ 112
BÀI 8. PHẠM VI SỬ DỤNG VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU NHÀ NHỊP
LỚN ................................................................................................... 131
8.1. Khái niệm và phạm vi sử dụng ............................................................. 131
8.2. Các đặc điểm của kết cấu nhà nhịp lớn ............................................... 131
8.3. Phân loại kết cấu nhà nhịp lớn ............................................................. 131
8.3.1. Kết cấu phẳng chịu lực .............................................................. 131
8.3.2. Kết cấu không gian chịu lực ...................................................... 131
8.3.3. Kết cấu mái treo chịu lực .......................................................... 132
BÀI 9. NHÀ NHỊP LỚN VỚI KẾT CẤU PHẲNG CHỊU LỰC ....................... 133
9.1. Kết cấu kiểu dầm, giàn .......................................................................... 133
9.1.1. Hình dạng giàn .......................................................................... 133
9.1.2. Hệ thanh bụng ........................................................................... 134

9.1.3. Kết cấu dầm giàn ....................................................................... 134
9.2. Kết cấu khung ......................................................................................... 136
9.2.1. Các loại khung ........................................................................... 136
9.2.2. Đặc điểm tính tốn và cấu tạo ................................................... 137
9.3. Kết cấu vòm ............................................................................................ 138
9.3.1. Các kiểu vòm ............................................................................. 138
9.3.2. Đặc điểm cấu tạo và tính tốn ................................................... 139
9.3.3. Khớp chân vịm ......................................................................... 142
9.3.4. Khớp đỉnh vòm .......................................................................... 144
BÀI 10. KẾT CẤU MÁI KHÔNG GIAN NHÀ NHỊP LỚN ............................. 145
10.1.

Khái niệm ......................................................................................... 145

10.2.

Hệ thanh thanh không gian phẳng................................................. 145


7
10.2.1. Cấu tạo ..................................................................................... 145
10.2.2. Tính tốn.................................................................................. 149
10.3.

Hệ thanh khơng gian dạng vỏ ......................................................... 150
10.3.1. Cấu tạo ..................................................................................... 150
10.3.2. Tính toán.................................................................................. 151

10.4.

Kết cấu mái Cupon (tự đọc sách) ................................................... 151
10.4.1. Cupơn sườn ............................................................................. 152
10.4.2. Cupơn sườn vịng .................................................................... 156
10.4.3. Cupơn lưới ............................................................................... 157

BÀI 11. HỆ MÁI TREO ........................................................................................ 158
11.1.

Giới thiệu chung ............................................................................... 158
11.1.1. Ưu điểm ................................................................................... 158
11.1.2. Nhược điểm ............................................................................. 158

11.2.

Kết cấu mái dây một lớp ................................................................. 158
11.2.1. Hệ một lớp dây mềm ............................................................... 158
11.2.2. Hệ một lớp dây cứng ............................................................... 162

11.3.

Kết cấu mái dây hai lớp .................................................................. 163

11.4.

Kết cấu giàn dây (tự đọc sách) ....................................................... 164

11.5.

Kết cấu mái dây hình yên ngựa (tự đọc sách) ............................... 165

11.6.

Kết cấu hỗn hợp dây và thanh (tự đọc sách) ................................. 165

11.7.

Mái treo vỏ mỏng (tự đọc sách) ...................................................... 166

VÍ DỤ TÍNH TỐN CHƯƠNG 2 ........................................................................ 168
MẪU PHIẾU TRẢ LỜI TRẮC NGHIỆM.......................................................... 169
MẪU CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM ....................................................................... 170
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 171


8

PHẦN MỞ ĐẦU
Môn học Kết cấu thép - Phần 2 dành cho đối tượng là sinh viên ngành Kỹ thuật
công trình xây dựng dân dụng và cơng nghiệp. Tiếp nối bài giảng học phần Kết cấu
thép - Phần 1 về các cấu kiện cơ bản, bài giảng Kết cấu thép – Phần 2 giới thiệu nội
dung Chương 1. Kết cấu thép nhà công nghiệp một tầng và Chương 2. Kết cấu thép
nhà nhịp lớn, chuẩn bị cho các học phần tự chọn.
Mục tiêu:
Hướng dẫn người học tiếp cận việc thiết kế kết cấu thép cho nhà công nghiệp và
nhà nhịp lớn, có cấu tạo từ các cấu kiện cơ bản với cái nhìn tổng quát đến chi tiết. Bài
giảng truyền đạt cách lựa chọn phương án kết cấu sử dụng cho cơng trình nhà, đến các
nội dung tính tốn, cấu tạo, hồn chỉnh một q trình thiết kế Kết cấu nhà thép.
Phạm vi biên soạn:
Bài giảng chỉ giới thiệu nội dung thiết kế các kết cấu chính dùng vật liệu thép, là
kết cấu nhà công nghiệp một tầng và kết cấu nhà nhịp lớn.

Mỗi loại kết cấu được biên soạn theo các bước chính, gồm: Mơ tả kết cấu, đặc
điểm chịu lực và cấu tạo, đặc điểm tính tốn.
Phương pháp biên soạn:
Thu thập và nghiên cứu tài liệu, phân tích làm rõ thông tin, cập nhật kiến thức và
công nghệ thực tế, để biên soạn thành tài liệu có tính chất hướng dẫn người mới tiếp
cận kiến thức chuyên ngành.
Đối tượng phục vụ:
Sinh viên ngành kỹ thuật cơng trình xây dựng, chuyên ngành xây dựng dân dụng
và công nghiệp.
Địa chỉ áp dụng:
Bô môn Kết cấu thép gỗ - Khoa Xây dựng, trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.
Tài liệu là sản phẩm của tập thể Giảng viên bộ môn Kết cấu Thép – Gỗ, nhiệm
vụ biên soạn được giao cho PGS.TS. Nguyễn Hồng Sơn, Ths. Vũ Quang Duẩn – viết
Chương 1; Ths. Mai Trọng Nghĩa và Ths. Nguyễn Thanh Tùng - viết Chương 2. Nhóm
biên soạn mong muốn nhận được những ý kiến, tài liệu đóng góp để bài giảng càng
ngày chất lượng hơn.
Xin Trân trọng cám ơn!


9

GIỚI THIỆU MÔN HỌC
1. Nội dung học phần
Lý thuyết (30 tiết) và Đồ án (30 tiết)
Lý thuyết, có các chương:
Chương 1. Kết cấu thép nhà công nghiệp một tầng

(20 tiết)

1.1. Đại cương về nhà công nghiệp bằng thép

1.2. Cấu tạo của nhà cơng nghiệp một tầng
1.3. Tính tốn khung ngang (khung thép nhẹ)
1.4. Thiết kế cấu kiện và chi tiết liên kết
1.5. Kết cấu mái
1.6. Kết cấu đỡ cầu trục
1.7. Hệ sườn tường (Kết cấu bao che)
Kiểm tra giữa kỳ
Chương 2. Kết cấu thép nhà nhịp lớn

(10 tiết)

2.1. Phạm vi sử dụng và đặc điểm của kết cấu nhịp lớn
2.2. Nhà nhịp lớn với kết cấu phẳng chịu lực
2.3. Kết cấu mái không gian của nhà nhịp lớn
2.4. Kết cấu mái treo
2. Tài liệu học tập
a. Giáo trình:


Nguyễn Quang Viên (chủ biên). Kết cấu thép 2: Cơng trình dân dụng và
công nghiệp. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2013.

b. Tài liệu tham khảo:


Phạm Minh Hà, Đoàn Tuyết Ngọc. Thiết kế khung thép nhà công nghiệp
một tầng, một nhịp. Nhà xuất bản Xây dựng, 2008.



TCVN 5575-2012: Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế.



TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế.



Đoàn Định Kiến (chủ biên). Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp. Nhà
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1998.

3. Phương pháp đánh giá học phần
Học phần được đánh giá trên cơ sở kết quả đánh giá tổng hợp quá trình tham
dự giờ học lý thuyết trên lớp (thông qua việc điểm danh), kết quả kiểm tra giữa kỳ (bài


10
kiểm tra ngắn hoặc tiểu luận) và kết quả thi kết thúc học phần của mỗi sinh viên. Cụ
thể như sau:
a. Điểm quá trình: Đánh giá theo thang điểm 10 (trọng số 0,2), trong đó:
- Điểm chuyên cần (do điểm danh):

Tối đa là 5/10 điểm

- Điểm kiểm tra giữa kỳ (1 hoặc 2 lần):

Tối đa là 5/10 điểm

b. Điểm thi kết thúc học phần: Đánh giá theo thang điểm 10 (trọng số 0,8)
4. Tiêu chuẩn đánh giá kết quả học phần

a. Điểm quá trình:

2/10

b. Điểm thi kết thúc học phần:

8/10


11

GIÁO TRÌNH VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO


12

CHƯƠNG 1.
KẾT CẤU THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG


13
BÀI 1. ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG THÉP
1.1. Đặc điểm chung
Nhà công nghiệp một tầng bằng thép được sử dụng rộng rãi trong cơng trình xây
dựng cơng nghiệp. Kết cấu chịu lực có thể là khung hỗn hợp (cột bê tông cốt thép và
xà ngang bằng thép) hoặc khung toàn thép (tất cả kết cấu cột và xà ngang sử dụng
thép).

Hình 1.1. Nhà cơng nghiệp (khung hỗn hợp, khung toàn thép)
Kết cấu khung toàn thép được sử dụng cho:

- Nhà cơng nghiệp loại nặng, có chiều cao thơng thủy lớn (H > 15m), nhịp lớn (L
> 24m), bước cột lớn (B  9m) và sức trục lớn (Q  30 tấn) với mái sử dụng các tấm
panel bê tơng, loại này ít được sử dụng ở Việt Nam. Đặc điểm kết cấu là cột được tổ
hợp từ các thép hình hoặc cột rỗng với kết cấu mái là xà ngang hoặc giàn thép;
- Nhà công nghiệp loại nhẹ (nhà khơng có cầu trục - nhà kho hoặc nhà có cầu
trục với sức trục nhỏ (Q < 30 tấn), mái lợp tôn), đây là loại phổ biến ở nước ta. Đặc
điểm kết cấu là cột và xà ngang được tổ hợp từ các bản thép, chiều cao tiết diện cột và
xà có thể khơng đổi hoặc thay đổi (cấu kiện vát).

Hình 1.2. Khung thép nhà cơng nghiệp khơng có cầu trục


14
Nhà công nghiệp được chia làm 2 loại:
- Nhà không có cầu trục: nhà kho, nhà máy dệt may, nhà máy chế tạo đồng hồ,
nhà máy lắp ráp vô tuyến v.v…
- Nhà có cầu trục: xưởng luyện thép, sản xuất đường, sửa chữa đầu máy toa xe,
chế tạo tầu thủy v.v…
Theo đó, cầu trục là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến sự làm việc của kết cấu (tải
trọng động, lặp và gây hiện tượng mỏi).
Phân loại nhà xưởng theo chế độ làm việc của cầu trục:
- Đối với xưởng sản xuất nhỏ, xưởng cơ khí lắp ráp, sửa chữa thiết bị:
+ Chế độ làm việc nhẹ: (chiếm 15% thời gian sử dụng).
+ Chế độ làm việc trung bình: (chiếm 20% thời gian sử dụng).
- Đối với dây chuyền sản xuất lớn, xưởng chế tạo kết cấu và xưởng cán thép,
luyện kim.
+ Chế độ làm việc nặng: (chiếm 40-60% thời gian sử dụng).
+ Chế độ làm việc rất nặng: (chiếm hơn 60% thời gian sử dụng).
Với kết cấu khung thép nhẹ, sử dụng cho nhà khơng có cầu trục hoặc nhà có cầu
trục với sức trục nhỏ (Q < 30 tấn) và chế độ làm việc nhẹ hoặc trung bình.

1.2. Các yêu cầu khi thiết kế khung ngang
1.2.1. Yêu cầu về sử dụng
- Thuận tiện trong lắp đặt thiết bị máy móc: liên quan đến việc chọn bước cột,
đường đi cầu trục, hệ giằng.
- Đảm bảo thiết bị nâng cẩu làm việc bình thường: kết cấu khung nhà phải đủ độ
cứng dọc và ngang.
- Đảm bảo độ bền và bền lâu: phụ thuộc tính chất của tải trọng (cầu trục gây hiện
tượng mỏi cho kết cấu) và ảnh hưởng của môi trường (mức độ xâm thực của môi
trường đến bề mặt kết cấu, gây ăn mòn tiết diện dầm và cột khung).
- Đảm bảo điều kiện thơng gió và chiếu sáng: liên quan đến việc chọn nhịp nhà,
nhịp cửa trời và chiều cao các cửa kính.
1.2.2. Yêu cầu về kinh tế
- Chi phí thép và cơng chế tạo thấp: liên quan đến giá thành vật liệu, giá thành
chế tạo và xây lắp (chọn giải pháp và hình dạng kết cấu, giải pháp tiết diện dầm và
cột).


15
- Rút ngắn thời gian thi công, tiến độ xây dựng: cần định hình hố các cấu kiện
cho phép giảm chủng loại kết cấu, các cấu kiện kết cấu được sản xuất trong nhà máy
rồi khuếch đại tại công trường.
- Lựa chọn vật liệu làm kết cấu, giải pháp kết cấu chọn sao cho tiết kiệm thép
nhất: chọn giải pháp kết cấu khung toàn thép hoặc hoặc khung hỗn hợp.
1.3. Một số hình ảnh về khung thép nhà cơng nghiệp
1.3.1. Hình ảnh cấu tạo chung của nhà cơng nghiệp

Hình 1.3. Các bộ phận chính trong nhà cơng nghiệp
(1 – khung đầu hồi; 2 – xà gồ mái; 3 – khung ngang; 4 – cửa trời; 6 – tấm lấy sáng; 7
– máng thu nước; 8 – cửa chớp tôn; 9 – cửa đẩy; 10 - tấm thưng tường; 11 – cửa sổ;
12 – cột khung; 13 – giằng cột và giằng mái; 14 – tường xây bao; 15 – xà gồ tường;

16 – cửa đẩy, cửa cuốn; 17 – mái hắt; 18 – cột đầu hồi)
1.3.2. Hình ảnh cấu tạo chi tiết của nhà cơng nghiệp

Hình 1.4. Khung nhà cơng nghiệp có cầu trục


16

Hình 1.5. Khung nhà cơng nghiệp có cầu trục và khơng có cầu trục

Hình 1.6. Khung ngang và khung đầu hồi nhà xưởng – có cửa trời

Hình 1.7. Chi tiết liên kết trong khung ngang và xà gồ mái

Hình 1.8. Chi tiết liên kết xà ngang - xà ngang và chân cột


17
BÀI 2. CẤU TẠO NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG
2.1. Các bộ phận chính của kết cấu nhà cơng nghiệp một tầng
Các bộ phận chịu lực nhà công nghiệp một tầng gồm có:
a) Kết cấu mái:
Gồm xà gồ mái và hệ giằng xà gồ, kết cấu đỡ kèo (nếu có), tấm mái (panel bê
tông cốt thép hoặc tấm tôn, tấm phibro xi măng), cửa mái (hay còn gọi là cửa trời).
b) Kết cấu khung ngang:
Gồm có cột và xà ngang (là dầm hoặc giàn vì kèo), hệ giằng cột và giằng mái,
tường bao che (tường panel, xây gạch hoặc tôn với xà gồ quây tôn).
c) Kết cấu khung đầu hồi và sườn tường:
Gồm có dầm, cột của khung đầu hồi để đỡ tường và giằng cột khung đầu hồi; hệ
sườn tường.

Ngoài các bộ phận chịu lực chính trong khung như đã nêu trên, kết cấu nhà cơng
nghiệp cịn có dầm cầu trục, móng và giằng móng. Các bộ phận trên liên kết với nhau
để tạo nên kết cấu không gian để chịu toàn bộ tải trọng tác dụng lên nhà. Một cách đơn
giản, có thể tách thành khung ngang và khung dọc. Khung ngang gồm có cột, xà ngang
(xà ngang là giàn vì kèo hoặc dầm) và móng. Các khung ngang liên hệ với nhau thông
qua kết cấu dọc như hệ giằng, dầm cầu trục, kết cấu cửa mái, kết cấu đỡ tường. Trong
thiết kế, do độ cứng của khung ngang nhỏ hơn nhiều so với độ cứng của khung dọc,
nên với sai số chấp nhận được thì cho phép tách một khung ngang để thiết kế.
2.2. Bố trí hệ lưới cột
Bố trí lưới cột là tìm kích thước hợp lý giữa các cột theo hai phương, theo
phương ngang gọi là nhịp, theo phương dọc gọi là bước cột. Khi chọn kích thước hệ
lưới cột cần xuất phát từ điều kiện sử dụng vật liệu, công nghệ và các thiết bị máy móc
như số lượng cầu trục, chế độ làm việc và cịn tính đến khả năng thay đổi cơng nghệ
trong tương lai. Ngoài ra, cần căn cứ vào điều kiện kinh tế sao cho chi phí vật liệu làm
kết cấu là ít nhất.
- Nhịp khung: Thường lấy các giá trị từ 12,0m đến 36,0m với mô đun là 3,0m.
- Bước cột: Thống nhất mô đun là 6,0m hoặc 12m (cũng có khi gặp bước cột
7,5m, 9,0m, 10,5m); khi lựa chọn bước cột cần so sánh một vài phương án để chọn
phương án hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật (sử dụng bước cột B = 12m khi nhịp L >
30m, chiều cao H > 15m, sức trục Q > 30 tấn).


18
Khi nhà dài, phải có khe nhiệt độ (để giảm ứng suất phát sinh trong kết cấu
khung do ảnh hưởng của thay đổi nhiệt độ), khoảng cách giữa các khe nhiệt độ theo
phương dọc nhà lấy không quá 200m, theo phương ngang nhà khơng q 120m. Theo
đó, giải quyết khe nhiệt độ dọc nhà bằng cách chia thành các khối riêng biệt có thêm
cột phụ, hoặc cấu tạo gối tựa di động cho dầm tường và xà gồ mái.

(a)

(b)

(c)

Hình 1.9. Mặt bằng bố trí lưới cột
(a – cho nhà một nhịp; a – cho nhà nhiều nhịp; c – cho nhà một nhịp nhiều khối nhà)
2.3. Kích thước khung ngang
2.3.1. Sơ đồ khung ngang
Khung thép nhẹ một tầng một nhịp (hoặc nhiều nhịp) thường dùng trong các
cơng trình cần khơng gian thơng thống hồn tồn như nhà thi đấu, hăng ga máy bay,
phòng trưng bày sản phẩm, nhà kho, nhà sản xuất v.v… với nhịp khung không quá
60m. Việc lựa chọn sơ đồ khung một nhịp hoặc nhiều nhịp phụ thuộc vào yêu cầu kiến
trúc và công năng sử dụng của cơng trình.

(a)

(b)

(c)

Hình 1.10. Khung ngang với tiết diện khơng thay đổi, thay đổi
(a – tiết diện không đổi; b – tiết diện thay đổi; c – tiết diện xà khoét lỗ ở bản bụng)
Như đã biết, kết cấu khung chịu lực chính, loại được sử dụng phổ biến hiện nay
là khung thép nhẹ, kết cấu khung gồm cột và xà ngang. Trong sơ đồ khung cần quan
tâm đến việc lựa chọn hình thức tiết diện cột và xà. Kết cấu cột sử dụng loại tiết diện
đặc hoặc rỗng được tổ hợp từ thép tấm hoặc thép hình nhưng phổ biến được tổ hợp từ
các thép tấm và dùng liên kết hàn. Theo chiều dài cột, có thể tiết diện không đổi hoặc
thay đổi, với tiết diện thay đổi theo kiểu cột bậc hoặc cột vát (hình nêm). Theo chiều

19
dài nhịp, xà ngang có chiều cao tiết diện cột và xà khơng thay đổi (Hình 1.10a) hoặc
thay đổi - xà vát, hình nêm (Hình 1.10b), với nhịp khung lớn để hiệu quả về mặt chịu
lực và sử dụng vật liệu có thể chọn tiết diện xà (hoặc cả cột) chữ I tổ hợp hàn có khoét
lỗ ở bản bụng (Hình 1.10c).
Trong sơ đồ tính khung, với cột tiết diện khơng đổi thì trục cột quy ước là trục đi
qua trọng tâm tiết diện cột, với cột tiết diện thay đổi (hoặc cột vát) thì trục cột quy ước
đi qua trọng tâm tiết diện cột ở phía đầu bé hơn. Với xà tiết diện khơng đổi hoặc thay
đổi thì đều lấy trục quy ước và trục đi qua trọng tâm tiết diện của từng đoạn.
Liên kết giữa cột khung với móng có thể là ngàm hoặc khớp (Hình 1.11). Liên
kết khớp có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, giảm kích thước móng vì khơng có mơ men
uốn ở chân cột, nên thường được dùng khi kích thước khơng lớn, nhà khơng có cầu
trục hoặc khi nền đất yếu. Tuy nhiên, với những 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 hợp này cần chọn phương án liên kết ngàm giữa chân
cột khung với móng để phân phối bớt mơ men đầu cột xuống móng làm giảm chuyển
vị ngang đầu cột và tăng khả năng ổn định cũng như độ cứng khung ngang. Với nhà có
cầu trục, cầu trục đặt ở vai cột sử dụng phổ biến trong các nhà cơng nghiệp bởi móc
cẩu hoạt động được tồn bộ diện tích nhà, với cầu trục treo chỉ nên sử dụng với sức
trục nhỏ và móc cẩu hoạt động trong một khu vực nhất định trên mặt bằng.

(a)

Q

Q

(b)

(c)

Hình 1.11. Sơ đồ khung một nhịp (chân cột khớp hoặc ngàm)
(a – nhà không cầu trục; b – cầu trục đặt ở vai cột; c – cầu trục treo ở xà mái)
Một dạng khác của khung một nhịp là loại có cột chống giữa, thường dùng khi
không gian trong nhà không cần quá lớn, thường sử dụng làm nhà kho, nhà điều hành
sản xuất, nhà xưởng v.v.. Nhịp khung có thể lên đến 70 – 80m, nhưng nhịp đảm bảo
yêu cầu về kinh tế thì nên ở khoảng 18 đến 24m. Khi nhịp lớn cần xét ảnh hưởng của
nhiệt độ tới sự làm việc của kết cấu. Loại khung này có ưu điểm là không giới hạn
chiều rộng nhà, không gian sử dụng linh hoạt, có thể bố trí thành nhiều phòng khi sử
dụng vách ngăn. Tuy nhiên, kết cấu khung rất nhạy cảm với hiện tượng lún lệch của
móng, cột giữa có chiều cao quá lớn nếu nhịp rộng, vị trí cột khó có thể thay đổi trong


20
tương lại. 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 liên kết
khớp hoặc cứng với xà ngang. Liên kết khớp khi tải trọng gió nhỏ, liên kết cứng khi tải
trọng gió lớn hoặc chiều cao cột lớn.

(a)

(b)

(c)

Hình 1.12. Sơ đồ khung một nhịp có một hoặc nhiều cột chống giữa
Một kiểu khung một nhịp khác thường gặp là loại khung tựa (Hình 1.13a,b), hay
khung một mái dốc. Khung tựa thường được bố trí bổ sung cho các cơng trình đã có
nhưng cần mở rộng, như phịng đặt thiết bị, phịng nghỉ cho cơng nhân, nhà kho v.v..

Khung tựa không đứng vững, không tự ổn định mà phải tựa vào khung khác với một
mái dốc. Xà ngang của khung tựa thường có liên kết khớp với khung chính để cột có
tiết diện nhỏ. Nhịp của khung tựa không lớn, thường không quá 18m, nhưng về yêu
cầu kinh tế và không gian sử dụng nên hạn chế nhịp dưới 12m. Với yêu cầu nhịp lớn
hơn thì xà cần được liên kết cứng với khung chính, hoặc đặt thêm cột phụ để chống
trong nhịp. Khi cấu tạo liên kết giữa gian chái vào khung chính, cần chú ý sao cho hệ
thống thốt nước mái khơng ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu. Cột và xà của
gian nhà chái thường chọn tiết diện không đổi. Tuy nhiên, khi nhịp lớn hơn có thể
chọn tiết diện thay đổi.
Khung một mái dốc có dạng một nhịp (Hình 1.13c), hoặc có thêm cột chống,
nhịp khung đến 50m, nhưng loại khung này khơng kinh tế bằng khung một nhịp có hai
mái dốc nên thường được áp dụng cho yêu cầu thoát nước mái, khi cần không gian lớn
ở một bên nhà, cần mở rộng thêm nhịp của cơng trình nhưng khơng được để máng
nước ở giữa hai nhà cũ và mới hoặc khơng được chất thêm tải trọng vào cột, móng của
cơng trình cũ.

(a)

(b)

Hình 1.13. Sơ đồ khung tựa và khung khung một mái dốc
(a, b – khung tựa; c – khung một mái dốc)

(c)


21
Ngoài các dạng kết cấu khung một tầng, một nhịp với cột và xà tiết diện chữ I
với chiều cao tiết diện không đổi hoặc thay đổi như đã nêu, cũng có thể sử dụng cột và
xà ngang dạng giàn vì kèo, giàn mái có các thanh bằng thép góc hoặc thép định hình

hoặc tổ hợp hàn. Liên kết giàn mái với cột đặc được cấu tạo là cứng (Hình 1.14a) hoặc
cấu tạo là khớp (Hình 1.14b), cũng có thể sử dụng kết cấu khung rỗng (Hình 1.14c).
Liên kết giàn mái với cột khi cấu tạo là cứng sẽ tạo độ cứng lớn cho khung, thường sử
dụng khi có yêu cầu độ cứng cao như đối với khung một nhịp chịu tải trọng cầu trục;
khi cấu tạo là khớp chỉ thích hợp với khung các nhà xưởng có cầu trục nhẹ, chiều cao
nhỏ hoặc nhà xưởng khơng có cầu trục, đơi khi cũng dùng cho khung nhiều nhịp.

(a)

(b)

(c)

Hình 1.14. Kết cấu khung có giàn mái hoặc khung rỗng
2.3.2. Kích thước chính của khung một nhịp

i
Ht

H2

Hd

1

H1
H

Hk

ht

a

L1

Lk

H3

0,00

B
>75

Hk

a) Kích thước theo phương ngang:

L1

Lk
L

A

(a)

L1

hd
L

B

A

(b)

Hình 1.15. Các kích thước chính của khung ngang
(a - theo phương ngang; b - theo phương đứng)
- Khoảng cách từ mép ngoài cột đến trục định vị, (a) lấy như sau:
a=0

Nhà khơng có cầu trục hoặc nhà có chiều cao thấp với cầu trục với sức
trục nâng dưới 30 tấn (trục định vị nhà trùng với mép ngoài cột).

a = 500 Nhà có cầu trục với sức trục lớn hơn 75 tấn hoặc chế độ làm việc nặng và
cần bố trí lối đi xuyên qua giữa thân cột trên.
a = 250 Cho các trường hợp còn lại.


22
- Chiều cao tiết diện cột, trường hợp tiết diện cột trên và cột dưới không đổi, (h = ht =
hd), lấy phụ thuộc vào chiều dài toàn cột:
h = (1/15 - 1/20)H

(1.1)

- Chiều cao tiết diện cột, trường hợp tiết diện cột trên (hd) và cột dưới (hd) thay đổi: lấy

chiều cao tiết diện phụ thuộc vào chiều dài từng đoạn cột:
ht = (1/10-1/15)Ht

(1.2)

hd = (1/15-1/20)Hd

(1.3)

(Ht và Hd chiều dài đoạn cột trên và cột dưới)
- Khoảng cách từ trục ray cầu trục đến trục định vị, (L1)
L1 = B + (ht - a) +D

(1.4)

B - phần đầu cầu trục từ ray đến mép ngoài;
D - khe hở an toàn giữa đầu cầu trục và mép cột, D  75mm.
L1 được (tạm lấy) như sau:
L1 = 750mm - nhà có cầu trục với sức trục Q < 75 tấn;
L1 = 1000mm - nhà có cầu trục với sức trục Q > 75 tấn;
L1 = 1250mm - nhà có cầu trục rất nặng, có lối đi ở cột trên;
- Nhịp nhà, (L)
L = Lk + 2L1

(1.5)

Lk - nhịp của cầu trục lấy theo thông số kỹ thuật của cầu trục.
b) Kích thước theo phương đứng:
- Chiều cao cột, tính từ mặt móng đến đỉnh cột hoặc đáy xà (H), lấy chẵn 100mm
H = H1 + H2 + H3

(1.6)

trong đó:
H1 - cao trình đỉnh ray, là khoảng cách nhỏ nhất từ mặt nền đến mặt ray cầu trục,
được lấy theo yêu cầu sử dụng và yêu cầu công nghệ;
H2 – chiều cao từ mặt ray đến đáy xà ngang, xác định:
H2 = H k + b k

(1.7)

Hk – chiều cao gabarit của cầu trục, là khoảng cách từ mặt ray đến điểm cao nhất
của cầu trục, lấy theo thông số kỹ thuật của cầu trục;
bk – khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang, lấy không nhỏ hơn 200mm;
H3 - phần cột chơn dưới cao trình nền, lấy sơ bộ khoảng từ 0  1,0m
- Chiều cao cột trên, từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang (Ht)


23
Ht = H2 + Hdct + Hr

(1.8)

trong đó:
Hdct - chiều cao dầm cầu trục, lấy theo phần thiết kế dầm cầu trục hoặc chọn sơ
bộ khoảng 1/8  1/10 nhịp dầm, Hdct = (1/8  1/10)B;
Hr - chiều cao tổng cộng của ray và đệm, lấy theo quy cách ray và phụ thuộc cầu
trục, sơ bộ lấy Hr = 200mm;
- Chiều cao cột dưới, từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến mặt móng (Hd)
Hd = H - H t

(1.9)

Độ dốc của mái thường chọn i = (10 – 15)% với khung có nhịp dưới 60m.
2.4. Hệ giằng khung nhà cơng nghiệp
Tác dụng chung của hệ giằng:
- Hệ giằng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ cứng khơng gian của
nhà, giảm chiều dài tính tốn của xà và cột theo phương ngồi mặt phẳng uốn, từ đó
tăng ổn định tổng thể của khung ngang.
- Hệ giằng còn có tác dụng truyền tải trọng gió tác dụng ở đầu hồi và lực hãm
ngang cầu trục theo phương dọc nhà xuống móng.
- Ngồi ra, hệ giằng cịn có tác dụng đảm bảo cho việc thi công lắp dựng kết cấu
được an toàn và thuận tiện.
Hệ giằng trong khung nhà công nghiệp sử dụng khung thép nhẹ, gồm hai hệ
thống giằng là hệ giằng mái và hệ giằng cột.
2.4.1. Hệ giằng mái

Hình 1.16. Hình ảnh minh họa hệ giằng mái sử dụng thép trịn và thép góc
a) Đối với khung thép nhẹ trong nhà công nghiệp sử dụng xà ngang
Hệ giằng mái được bố trí theo phương ngang nhà tại hai gian đầu hồi (đơi khi bố
trí ở gian gần đầu hồi), đầu các khối nhiệt độ và ở một số gian giữa nhà tùy thuộc vào


24
chiều dài nhà, sao cho khoảng cách giữa các giằng bố trí khơng q 5 bước cột, bản
bụng của hai xà ngang cạnh nhau được nối bởi giằng chéo chữ thập. Các thanh giằng
chéo có thể là thép góc (tối thiểu loại thép góc L50x5 và độ mảnh giới hạn [] = 200
đối với thanh nén và [] = 400 đối với thanh kéo), hoặc thép tròn và cáp thép mạ kẽm
(có tăng đơ) đường kính khơng nhỏ hơn 12mm. Ngồi ra, cịn bố trí thanh chống dọc
bằng thép hình (thường là thép góc) tại vị trí quan trọng như đỉnh mái, đầu cột (xà),

chân cửa mái. Thanh chống dọc có tác dụng đảm bảo cố định khung trong quá trình thi
cơng lắp dựng các khung và chịu một phần lực căng khi sử dụng hệ giằng sử dụng
thanh căng bằng thép trịn hoặc cáp thép.
Trường hợp nhà có cầu trục, cần bố trí thêm giằng chéo chữ thập dọc theo đầu
cột để tăng độ cứng cho khung ngang theo phương dọc nhà và truyền tải trọng ngang,
như tải trọng gió, lực hãm ngang cầu trục ra các khung lân cận.
b) Đối với khung thép nhẹ trong nhà công nghiệp sử dụng giàn mái
Do cấu tạo giàn mái gồm có thanh cánh trên, thanh cánh dưới và hệ thanh bụng.
Vì vậy, hệ giằng cần phải bố trí trong mặt phẳng cánh trên, trong mặt phẳng cánh dưới
và hệ giằng đứng.
Hệ giằng mái trong mặt phẳng cánh trên, chỉ được bố trí theo phương ngang nhà
tại hai gian đầu hồi (đơi khi bố trí ở gian gần đầu hồi), đầu các khối nhiệt độ và một số
gian giữa nhà tùy thuộc vào chiều dài nhà.
Hệ giằng mái trong mặt phẳng cánh dưới, được bố trí phương ngang nhà và
phương dọc nhà. Theo phương ngang nhà, hệ giằng bố trí tại vị trí có giằng trong mặt
phẳng cánh trên (cùng với giằng cánh trên tạo thành khối cứng tại hai đầu hồi và giữa
nhà và làm điểm tựa cho hệ sườn tường đầu hồi và tiếp thu tải trọng gió - hệ giằng cịn
gọi là giàn gió). Theo phương dọc nhà, hệ giằng bố trí dọc theo đầu cột có tác dụng
truyền lực hãm dọc cục bộ của cầu trục ra các khung lân cận, hệ giằng này chỉ áp dụng
cho nhà có cầu trục với sức trục lớn.
Hệ giằng đứng, bố trí trong mặt phẳng thanh đứng cùng với hệ giằng khác tạo
khối cứng bất biến hình và làm điểm tựa cho các giàn khác. Theo phương ngang nhà
khoảng cách giữa các giằng đứng từ (12 - 15)m, theo phương dọc nhà giằng đứng bố
trí tại vị trí có giằng cánh trên và giằng cánh dưới.
Hình thức bố trí và tiết diện thanh giằng tương tự như đối với hệ giằng khung
thép nhẹ trong nhà công nghiệp sử dụng xà ngang.


25
(a)

5250

5250

21000

5250

5250

b

a

6000
1

6000

6000
3

2

6000

6000

6000

5

4

6

6000

6000
8

7

9
+ 8.60

(b)

+6.30

± 0.00

2

3

6000
4

6000
6

6000
7

250
125 125

100100

200

L100x5

6000
5

2 50
125 125

200
100100

300

6000

150150
300

1

6000

6000
8

100100

235 235

185 185
100

75
75
100
200
100100

L100x5

470
235 235

9

L100x5

200

6000

200
100100

470
235 235

23x30

23x30

Hình 1.17. Sơ đồ bố trí hệ giằng mái và giằng cột
(a – mặt bằng hệ giằng; b – giằng cột; c – các chi tiết cấu tạo)