Tài liệu đánh giá hiệu quả giải pháp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong nhà công nghiệp 1 tầng

ii ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP SỬ DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG Học viên: LÊ QUỐC PHONG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng DD VÀ CN Mã số: 85.80.201 Khóa: K35 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Kết cấu ống thép nhồi bê tông có những ưu điểm như: khả năng chịu lực cao, chống ăn mòn tốt, tăng độ cứng chống uốn, ổn định hơn vì vậy với những công trình nhà công nghiệp có chiều cao lớn, sức trục lớn, nhịp nhà và bước cột lớn thì việc sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông sẽ là một giải pháp kết cấu hợp lý. Tuy nhiên hiện nay kết cấu liên hợp thép bê tông mới chỉ được ứng dụng vào những công trình như cầu, nhà cao tầng… ở đó cấu kiện cột chịu một lực nén lớn mà chưa được ứng dụng vào các công trình nhà công nghiệp. Do đó để xem xét sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông vào nhà công nghiệp cần có những phân tích đánh giá hiệu quả của nó với những kết cấu truyền thống (chủ yếu là kết cấu thép). Trong luận văn này tác giả chỉ đánh giá hiệu quả việc sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp. Kết quả nghiên cứu cho thấy, với đặc điểm của nhà công nghiệp một tầng một nhịp là Lực dọc tác dụng vào cột nhỏ hơn rất nhiều so với khả năng chịu lực của cột, trong khi đó mô men tác dụng rất lớn thì việc sử dụng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông cho hiệu quả không đáng kể so với kết cấu thép truyền thống. Từ khóa: Ống thép nhồi bê tông; nhà công nghiệp, độ cứng, chuyển vị, nén. EFFICIENCY ASSESSMENT OF THE SOLUTION CONCRETE FILLED STEEL TUBE STRUCTURE IN 1-FLOOR INDUSTRIAL BUILDING Abstract : Concrete filled steel tube structure has advantages such as: high bearing capacity, good corrosion resistance, increased bending resistance, more stable so for industrial buildings with high height, large shaft power, with large span, the use of Concrete filled steel tube structure will be a reasonable structural solution. However, at present, the concrete steel structure is only applied to constructions such as bridges, high-rise buildings, etc. where the column structure is subjected to a large compressive force but has not been applied to industrial buildings. Therefore, to consider using concrete steel structure in industrial buildings, it is necessary to analyze and evaluate its effectiveness with traditional structures (mainly steel structures). In this thesis, the author only assesses the effectiveness of the use of steel structure of concrete pipes in 1-storey 1-floor industrial building. The research results show that, with the characteristics of a one-stage one-storey industrial house, the vertical force acting on the column is much smaller than the bearing capacity of the column, while the torque is very large, the use of The use of concrete column steel column structure gives negligible effect compared to traditional steel structure. Keywords: Concrete steel pipe; industrial house, hardness, displacement, compression. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................ii DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................................. v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. viii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 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. Tổng quan về nhà công nghiệp ................................................................................. 3 1.1.1. Các bộ phận cấu tạo nhà công nghiệp .......................................................... 7 1.1.2. Đặc điểm của nhà công nghiệp ảnh hưởng đến giải pháp kết cấu ................ 8 1.2. Các giải pháp kết cấu cho nhà công nghiệp một tầng .............................................. 9 1.3. Nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông ....................................... 10 1.4. Khả năng chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông ............................................ 12 1.5. Kết luận chương 1 .................................................................................................. 13 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG SỬ DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VÀ KẾT CẤU THÉP ............................................................................................................................ 14 2.1. Cơ sở thiết kế khung nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông ........................................................................................................................ 14 2.1.1. Mặt bằng kết cấu nhà xưởng và các kích thước của khung ngang ............. 14 2.1.2. Xác định tải trọng tác dụng vào khung ngang ............................................ 17 2.1.3. Nội lực và tổ hợp nội lực ............................................................................ 20 2.1.4. Thiết kế cấu kiện cột của kết cấu: ............................................................... 20 2.2. Cơ sở thiết kế khung nhà công nghiệp 1 tầng sử dụng kết cấu thép ...................... 25 2.2.1. Các bước thiết kế khung nhà công nghiệp sử dụng kết cấu thép................ 25 2.2.2. Tính toán cấu kiện cột ................................................................................. 26 2.3. Nhận xét về kết cấu ống thép nhồi bê tông và kết cấu thép ................................... 32 2.4. Kết luận chương ..................................................................................................... 32 iv CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP KẾT CẤU CFT TRONG NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG ................................................................. 33 3.1. Thiết kế nhà công nghiệp một tầng một nhịp sử dụng kết cấu cột CFT và kết cấu thép ................................................................................................................................ 33 3.1.1. Tính toán thiết kế cột nhà công nghiệp sử dụng kết cấu thép .................... 36 3.1.2. Tính toán thiết kế cột nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông ................................................................................................................................ 41 3.1.3. Đánh giá độ cứng khung ngang ................................................................. 45 3.2. Đánh giá hiệu quả sử dụng vật liệu ....................................................................... 48 3.2.1. Nhận xét về khả năng chịu lực.................................................................... 48 3.2.2. Đánh giá về sử dụng vật liệu ...................................................................... 49 3.2.3. Đánh giá về độ cứng kháng uốn của tiết diện ............................................. 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 51 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao) v DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu chữ cái và chữ La tinh CFT Kết cấu ống thép nhồi bê tông L (l) : Chiều dài nhịp, chiều dài tính toán mất ổn định d: Chiều rộng hoặc đường kính ống thép C: Hệ số với các giá trị cố định E: Mô đun đàn hồi F: Lực tác dụng I: Mô men quán tính K: Hệ số độ cứng L: Chiều dài M: Mô men uốn MRd: giá trị tính toán mô men bền của tiết diện khi uốn MSd: giá trị tính toán mô men ngoại lực N:Lực dọc, số lượng liên kết PR: Sức bền chịu cắt của liên kết Q: Hoạt tải Rd: Sức bền tính toán của tiết diện Sd: Nội lực tính toán do tải trọng gây ra V: Lực cắt, lực trượt W: Mô men chống uốn a: Khoảng cách b: Chiều rộng d: Đường kính, chiều cao e: Độ lệch tâm f: Cường độ fck: Cường độ đặc trưng khi nén của bê tông fsk: Giới hạn đàn hồi đặc trưng khi kéo của thép thanh fy: Giới hạn đàn hồi khi kéo của thép kết cấu h: Chiều cao vi i: Bán kính quán tính k: Các hệ số tính toán t: Chiều dày α: Gốc, hệ số β: Gốc, hệ số ᵞ: Hệ số an toàn η: Hệ số λ: Độ mảnh σ: Ứng suất χ: Hệ số uốn dọc A: Diện tích mặt cắt ngang của ống thép Chữ viết tắt CFT Concrete Filled steel Tube BTCT Bê tông cốt thép vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang 1.1. Chiều cao nhà công nghiệp một tầng không hoặc có cần trục treo 5 1.2. So sánh đặc điểm 1 số loại cấu kiện chịu nén. 13 2.1. Kích thước hình học tiết diện cột 29 2.2. Đặc trưng hình học tiết diện cột 29 3.1. Tổ hợp nội lực cột thép của khung L=24m 37 3.2. Tổ hợp nội lực cột CFT của khung L=24m 42 3.3. Bảng giá trị đương cong tương tác M-N của cột CFT D600 43 3.4. Các cặp nội lực : (Mmax, Ntư); (Mmin, Ntư) ; (Mtư, Nmax) Cột D600 45 3.5. Thống kê chuyển vị đỉnh cột khung theo tải trọng q tác dụng. 47 3.6. Tiết diện cột thép và cột CFT trong các trường hợp khảo sát 49 3.7. Tỉ lệ sai lệch diện tích cột thép và cột CFT trong các trường hợp 49 3.8. Độ cứng cột thép và cột CFT trong các trường hợp tính toán 50 bảng viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1. Nhà công nghiệp 3 1.2. Cấu tạo cầu trục 6 1.3. Các bộ phận trong nhà công nghiệp 8 2.1. Mặt cắt ngang nhà 14 2.2. Mặt bằng nhà 15 2.3. Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông 16 2.4. Đường ảnh hưởng phản lực gối tựa 18 2.5. Sơ đồ chất tải Dmax, Dmin trên khung 18 2.6. Sơ đồ tải xô ngang T trên khung 19 2.7. Các hướng gió tính toán 19 2.8. Đường cong tương tác lực nén và mô men uốn 23 2.9. Phân bố mô men dọc chiều dài cột 23 2.10. Phương pháp cột liên hợp chịu nén và chịu uốn theo một phương 24 2.11. Sự phân bố mô men trên cột 25 2.12. Thanh ngắn chịu nén đúng tâm 26 2.13. Biểu đồ quan hệ lực nén và biến dạng 27 2.14. Hệ số chiều dài cột 27 3.1. Sơ đồ khung ngang nhà công nghiệp 33 3.2. Các tải trọng tác dụng vào khung L=24m 35 3.3. Biểu đồ đường cong tương tác M-N 42 3.4. Ứng suất phân bố trên tiết diện 43 3.5. Đồ thị đường cong tương tác M-N của cột CFT D600 45 3.6. Tải trọng q lên khung nhà cột thép 46 3.7. Tải trọng q lên khung nhà cột CFT 46 3.8. Biểu đồ quan hệ tải q tác dụng và chuyển vị đỉnh cột khung 47 3.9. Biểu đồ quan hệ nhịp và diện tích 50 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 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... vì đặc tính của kết cấu này là như: Thép nằm ở chu vi bên ngoài, nơi nó làm việc hiệu quả nhất trong việc chịu kéo và chống lại mô men uốn. Độ cứng của CFT được tăng cường đáng kể vì thép có mô đun đàn hồi lớn hơn nhiều so với bê tông và nằm xa trọng tâm, nơi nó đóng góp lớn nhất vào mô men quán tính. Bê tông tạo thành một lõi lý tưởng để chịu được tải trọng nén và nó làm trì hoãn, ngăn chặn sự vênh cục bộ của ống thép, đặc biệt là trong các kết cấu CFT hình chữ nhật. Về phương diện thi công kết cấu ống thép nhồi bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngắn được thời gian thi công xây dựng công trình so với kết cấu bê tông cốt thép. Công trình nhà công nghiệp với chức năng là phục vụ cho sản xuất nhằm tạo ra các sản phẩm. 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 như: 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 sàn xuất; Thiết bị có tải tọng lớn và tần số hoạt động lớn Như vậy với những công trình nhà công nghiệpviệc sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông sẽ là một giải pháp hợp lý. Tuy nhiên hiện nay kết cấu liên hợp thép bê tông mới chỉ được ứng dụng vào những công trình như cầu, nhà cao tầng… ở đó cấu kiện cột chịu một lực nén lớn mà chưa được ứng dụng vào các công trình nhà công nghiệp. Do đó để xem xét sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông vào nhà công nghiệp cần có những phân tích đánh giá hiệu quả của nó với những kết cấu truyền thống (chủ yếu là kết cấu thép). Đó là lí do để luận văn thực hiện đề tài “ Đánh giá hiệu quả giải pháp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong nhà công nghiệp 1 tầng ” 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về nhà công nghiệp, kết cấu cột ống thép nhồi bê tông và các giải pháp kết cấu sử dụng trong nhà công nghiệp - Tính toán thiết kế khung nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp sử dụng hai giải pháp kết cấu CFT và kết cấu thép. - Phân tích, đánh giá hiệu quả của việc sử dụng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông và kết cấu thép trong khung ngang nhà công nghiệp một tầng một nhịp 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp. 2 - Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá hiệu quả giải pháp cột CFT cho khung nhà công nghiệp 1 tầng với kết cấu khung thép. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết quy trình thiết kế nhà công nghiệp 1 tầng sử dụng kết cấu CFT và kết cấu thép. - Phân tích so sánh hiệu quả giải pháp kết cấu CFT cho nhà công nghiệp. 5. Kết quả dự kiến - Tính toán thiết kế công trình cụ thể sử dụng kết cấu CFT và kết cấu thép. - Các phân tích, đánh giá hiệu quả của cột ống thép nhồi bê tông với cột thép trong thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng một nhịp 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 5. Kết quả dự kiến Chương 1. Tổng quan về kết cấu CFT Chương 2. Cơ sở tính toán thiết kế khung nhà công nghiệp 1 tầng sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông và kết cấu thép. Chương 3. Phân tích, đánh giá hiệu quả giải pháp kết cấu CFT trong nhà công nghiệp 1 tầng. Kết luận và kiến nghị . 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Trong chương này thực hiện tổng quan về nhà công nghiệp và đặc điểm của nó ảnh hưởng đến giải pháp thiết kế kết cấu. Thực hiện tổng quan các giải pháp kết cấu ống thép nhồi bê tông và sự hợp lý trong việc sử dụng kết cấu này trong kết cấu nhà công nghiệp. Tổng quan các đánh giá về hiệu quả sử dụng của các kiểu kết cấu ứng dụng trong thực tế xây dựng các công trình dân dụng hiện nay. 1.1 . Tổng quan về nhà công nghiệp Nhà công nghiệp 1 tầng là loại hình chiếm tỷ trọng lớn trong lĩnh vực xây dựng. Kiểu nhà này thường sử dụng cho các nhà xưởng sản xuất, xí nghiệp, nhà kho công nghiệp dùng trong phân phối, bán lẻ và giải trí. Kích cỡ thay đổi từ các xưởng nhỏ chỉ vài trăm mét vuông đến các kho phân phối lớn bao phủ trên một diện tích cả trăm ngàn mét vuông. Chức năng của chúng là phục vụ cho sản xuất và người lao động ở trong đó, nhằm tạo ra các sản phẩm phục vụ cho nhu cầu của xã hội và con người. Công nghệ sản xuất – công năng của xí nghiệp sẽ xác định cơ cấu và cấu trúc tổng mặt bằng xí nghiệp công nghiệp, xác định các thông số xây 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 thông vận chuyển của xí nghiệp. Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu xây dựng, những công trình công nghiệp được thiết kế phải thỏa mãn cao nhất các yêu cầu của kĩ thuật sản xuất vừa thỏa mãn các khả năng kĩ thuật xây dựng và yêu cầu cao về thẩm mỹ kiến trúc của xã hội. Hình 1.1. Nhà công nghiệp 4 Với nhà công nghiệp những đặc điểm cần tìm hiểu như sau: Nhà công nghiệp phải đáp ứng yêu cầu cao nhất yêu cầu chức năng: công nghệ và thiết bị được bố trí trong tòa nhà phải hợp lý nhất, đáp ứng tốt nhất yêu cầu sản xuất, kinh doanh và tạo được môi trường tiện nghi cho người lao động, giải pháp mặt bằng – hình khối và kết cấu tòa nhà phải đảm bảo thõa mãn yêu cầu thay đổi và hoàn thiện công nghệ, thiết bị sản xuất … mà không ảnh hưởng lớn đên cấu trúc tòa nhà Một yêu cầu quan trọng trong thiết kế kiến trúc là thiết kế điển hình hóa và thống nhất hóa. Để có thể sản xuất hàng loạt những thành phẩm xây dựng và xây dựng cơ giới hàng loạt để xây dựng với tốc độ cao chất lượng tốt giá thành hạ cần đi theo con đường công nghiệp hóa xây dựng tức là chuyển ngành xây dựng thành một quá trình sản xuất theo một dây chuyền công nghệ như các ngành công nghiệp khác. Để làm cơ sở cho việc thiết kế hình khối mặt bằng và giải pháp kết cấu nhà công nghiệp và quá trình điển hình hóa và mô đul hóa trong xây dựng, nên tuân theo 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: Không cần cầu trục: L =12, 18, 24m Có cầu trục: L =18, 24,30m, bội số 6m - 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 Bố trí lưới cột là một bước quan trọng trong quá trình bố trí mặt bằng nhà công nghiệp. Khi chọn lưới cột phải căn cứ vào diện tích yêu cầu sản xuất, đặc tính của sản 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 thước của 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 nhà công 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 lên 5 cho 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 càng lớn 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 hệ thống 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 như sau: - 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 Việc xác định độ cao nhà căn cứ vào cá yếu tố sau: - Căn cứ vào độ cao của thiết bị - đây là căn cứ chủ yếu nhất để xác định độ cao nhà. Nếu trong 1 gian bố trí nhiều thiết bị có độ cao thấp khác nhau thì lúc 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 có cần trục để vận chuyển vật liệu, sản phẩm hoặc lắp ráp thiết bị sản xuất trong xưởng (lắp máy) thì cần thêm độ cao cần thiết để cho cần trục có thể hoạt động được. - Căn cứ vào yêu cầu thông gió và chiếu sáng tự nhiên. Khi xác định độ cao nhà theo 2 yêu cầu trên cần kiểm tra lại độ cao đó có phù hợp với yêu cầu chiếu sáng và thông gió tự nhiên để chọn độ cao cho hợp lý. Bảng 1.1. Chiều cao nhà công nghiệp một tầng không hoặc có cần trục treo Nhịp nhà (m) Tải trọng cần trục treo (T) Chiều cao nhà (m) Theo bội số (m) 6; 9; 12 15; 18 0.5 ÷ 10 0.5 ÷ 10 3.6; 4.8; 5.4; 6 4.8 0.6 18;24 0.5 ÷ 10 5.4; 6; 7.2; 10.8; 12.6 0.6 ÷ 1.2 Trong nhà công nghiệp cầu trục là thiết bị quan trọng để vận chuyển nguyên vật liệu, bán thành phẩm thành phẩm và các thiết bị sản xuất khi lắp ráp hoặc sửa chữa. Cần trục hay còn được gọi là cần trục kiểu cầu được sử dụng để vận chuyển hàng hóa theo hai phương ngang, dọc trong nhà công nghiệp một tầng hoặc hỗn hợp. 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 6 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 1.2. Cấu tạo cầu trục Như vậy, nhà công nghiệp có bố trí cầu trục sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu. Tải trọng cầu trục là loại tải trọng lặp, động lực, dễ gây hư hại và hao mòn cho kết cấu. Bởi vậy khi thiết kế cần chú ý đến cường độ hoạt động của cầu trục được gọi tên là chế độ làm việc của cầu trục. Toàn bộ hệ thống cầu trục chạy trên hai ray được đặt trên mặt dầm cầu chạy tựa lên vai cột dọc nhà và sự làm việc của cầu 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 sức tải Q, có thời gian làm việc chiếm 15 ÷ 25% thời gian ca sản xuất. Đó là cầu trục 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 xuyên cẩu vật có trọng lượng bằng với sức tải tối đa, thời gian làm việc này từ 40 ÷ 80% . Vật liệu làm khung nhà công nghiệp. Nhà công nghiệp hay nhà xưởng trong đó 7 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 cấu chịu lực của nhà xưởng, hiện nay ở nước ta dùng chủ yếu hai loại vật liệu: Thép; Bê tông 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 của công nghệ sản xuất và cả vấn đề cung cấp vật tư; Thời hạn xây dựng công trình 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 cao không lớn, tải trọng không lớn nên không cho phép dùng kết cấu thép. Thường sử dụng 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 mái dùng dàn gỗ dạng tam giác Trong xưởng sản xuất chính nên dùng vật liệu không cháy để làm kết cấu chịu lực và kết cấu bao che. Sử dụng kết cấu bê tông cốt thép hoặc kết hợp bê tông cốt thép và thép Nhà có khẩu độ lớn: nhà công nghiệp có khẩu độ lớn tính từ mặt nền mép trên ray cầu chạy có thể từ 8 – 30m hoặc cao hơn nữa. Khẩu độ từ 18 – 60m hoặc hơn nữa. Bước cột 6m mở rộng 12m, đực biệt 18,24m. Nhà công nghiệp khẩu độ lớn đơn giản nhất là L = 18-36m. Kết cấu chịu lực của nhà này là khung ngang chịu lực sử dụng bê tông cốt thép, thép, bê tông cốt thép hỗn hợp Nhà có khẩu độ lớn Kết cấu không gian. Do những thành tựu của khoa học kĩ thuật, kết hợp những phương pháp tính toán mới, kỹ thuật thi công ngày càng được nâng cao, gần đây người 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 có khẩu độ lớn và lưới cột lớn. Loại kết cấu này có thể làm toàn khối hoặc lắp ghép. 1.1.1. 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 8 Hình 1.3. Các bộ phận trong nhà công nghiệp a) Hệ thống kết cấu chịu lực: bao gồm các kết cấu cơ bản như móng, dầm móng, cột, dầm cầu chạy, kết cấu mang lực mái, kết cấu đỡ sàn, hệ khung chống gió, hệ giằng… Kết cấu chịu lực nhận tải trọng của nhà truyền xuống nền đất. Hệ thống kết cấu chịu lực được phân thành kết cấu chịu lực theo phương đứng (như móng, cột) và theo phương ngang (như kết cấu mang lực mái, dầm cầu chạy, hệ giằng…). Trong một số trường hợp kết cấu có thể chịu lực theo cả phương đứng và phương ngang như kết cấu kiểu vòm. 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 nhà công nghiệp nhiều tầng. Các kết cấu phụ khác gồm vách ngăn và hệ khung đỡ vách ngăn, hệ sàn công tác, cầu thang… 1.1.2. 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 người lao động trong đó nhằm tạo ra các sản phẩm phục vụ cho nhu cầu xã hội và con người. Do đó nhà công nghiệp sẽ có những đặc điểm khác biệt so với nhà dân dụng và ảnh hưởng 9 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 sàn 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 pháp kết cấu phải đảm bảo vượt được nhịp lớn, sử dụng vật liệu ít nhất cũng như các giải pháp tính toán thiết kế đáp ứng sự làm việc của nhà công nghiệp. Kết cấu của nhà xưởng 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 tạo quy định trong quy phạm. 1.2. Các giải pháp kết cấu cho nhà công nghiệp một tầng Kết cấu chịu lực nhà công nghiệp một tầng rất đa dạng. Việc lựa chọn dạng kết cấu chịu lực nhà công nghiệp một tầng phải dựa trên những yêu cầu và đặc điểm của công nghệ sản xuất, khả năng làm việc của vật liệu, lưới cột và thiết bị vận chuyển cần thiết trong nhà, yêu cầu tổ chức chế độ vi khí hậu trong phòng, 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 ứng được độ bền, độ cứng và tuổi thọ theo thiết kế. Thuận tiện cho việc lắp đặt các thiết bị máy móc và đảm bảo hiệu quả kinh tế (người thiết kế cần chọn giải pháp kết cấu hợp 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 lực tốt, thiết kế, chế tạo và thi công đơn giản khả năng công nghiệp hóa cao. Loại kết cấu này được hình thành từ các khung ngang (móng, cột, xà ngang) và các kết cấu giằng dọc. Các khung ngang được liên kết với nhau bằng các hệ giằng dọc tạo nên một 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 phổ biến nhất là khung lắp ghép với các cấu kiện điển hình - thống nhất. Chúng được 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 hình dáng yêu cầu của công nghệ và kiến trúc, nhưng đặc biệt hợp lý và kinh tế khi nhịp nhà <18m với sơ đồ đơn giản 10 - Khung thép: Nhà có độ cao lớn, nhịp rộng, bước cột lớn, cầu trục nặng - Do thép có tính năng cơ học cao. Nhà có cầu trục hoạt động liên tục (chế độ làm việc nặng hay rất nặng ) - Vì kết cấu thép làm việc chịu tác động lặp của tải trọng động lực được an toàn đảm bảo hơn các loại 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 Khi xây dựng tại những vùng xa, điều kiện vận chuyển đến khó khăn. Kết cấu thép 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 công nghiệp như: Làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao (dưới 200 độ) tốt hơn so với bê tông 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 ). Bước cột B lớn (B>=12m , cầu trục nặng (Q>=50t ) 1.3. Nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFT) được sử dụng phổ biến trong kết cấu nhà cửa ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc... Kết cấu ống thép nhồi bê tông là một dạng kết cấu hỗn hợp gồm ống thép và lõi bê tông cùng làm việc. Bê tông được đổ trong lòng ống và quá trình đông cứng chặt bê tông trong ống thép sẽ tạo thành một kết cấu liên hợp chịu lực chung. Trong đó ống thép có tác dụng như là một vỏ bao ngoài bọc chặt bê tông. Ống thép có thể có nhiều dạng tiết diện, có thể tròn hoặc đa giác kín. Cường độ bê tông có thể mác trung bình hoặc mác cao. Ưu điểm của kết cấu này là: Độ bền của lõi bê tông (lớp vỏ thép với chức năng 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 trên mặt cắt ngang làm tối ưu cường độ và độ cứng của cấu kiện. Cốt thép được phân bố ở chu vi ngoài cùng của tiết diện nên phát huy hiệu quả làm việc cao nhất khi chịu mô men uốn. Bê tông tạo một lõi lý tưởng để chống lại tải trọng nén trong quá trình làm việc, trì hoãn và chống lại sự bất ổn định cục bộ của 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 11 dai đối với cấu kiện CFT; Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên trong ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả 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 nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tương tự làm bằng kết cấu bê tông 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 dàng hơn 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 và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn ít hư hỏng do va đập. Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/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 tương tác giữa hai vật liệu gây khó khăn trong việc xác định thuộc tính kết hợp như mô men quán tính, môdul đàn hồi; chi tiết liên kết giữa cột CFT và sàn bê tông cốt thép, dầm bê tông cốt thép hay dầm thép tương đối phức tạp. Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ do đó gây ra không ít những khó khăn cho tính toán thiết kế cấu tạo liên kết; Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFT tiếp tục được nghiên cứu để dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng như nhận thức 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 có những 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 khục được tính dòn lớn của bê tông cường độ cao do bê tông bị gò chặt trong ống thép. – Có khả năng chịu mài mòn ở vỏ thép và va đập tốt hơn. Trị số biến dạng co ngót theo chiều dọc của mẫu cách ly là rất nhỏ. – Trong kết cấu không có cốt thép dọc hay cốt thép đai, do đó quá trình thi công thuận tiện hơn và độ chặt sít bê tông đảm bảo hơn. – Việc duy tu bảo dưỡng đơn giản vì nếu hỏng lớp sơn chống rỉ mặt ngoài vỏ thép thì chỉ cần sơn bảo vệ lại. Do vậy đảm bảo tính bền vững không bị xâm thực phá hoại trực tiếp như kết cấu bê tông cốt thép thuần tuý. – Có thể giảm đến gần nửa kích thước tiết diện, tăng không gian sử dụng, giảm 12 tải trọng bản thân, do đó có thể vượt khẩu độ nhịp lớn và hiệu quả cao về mặt kinh 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 ứng dụng rộng rãi và linh hoạt kết cấu này trong xây dựng hiện đại. Tuy nhiên, hiện nay việc sử dụng các kết cấu này vào trong thực tế còn nhiều khó khăn do chưa có các chỉ dẫn thiết kế cụ thể đặc biệt là trong các công trình vượt nhịp lớn như nhà công nghiệp trong điều kiện Việt Nam. Do đó cần thiết lập một trình tự tính toán thiết kế theo các tiêu chuẩn hiện hành để thiết kế nhà công nghiệp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông là cần thiết nhằm ứng dụng kết cấu này vào trong thực tế xây dựng. 1.4. Khả năng chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông Hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông là một hệ thống gồm các cấu kiện chịu lực chính là các ống thép được nhồi đặc bằng bê tông cường độ cao hoặc trung bình. Hệ thống kết cấu CFT có nhiều ưu điểm về độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng và khả năng chống cháy. Nói chung loại kết cấu này được nghiên cứu áp dụng cho rất nhiều loại công trình xây dựng nhà dân dụng, công nghiệp cũng như công trình cầu đường, các dạng công trình kỹ thuật khác và đang được các nước đang rất quan tâm. Khác với loại ống thép bình thường, ống thép nhồi bê tông chỉ hiệu quả khi chịu nén, còn về khả năng chịu kéo thì nó nhỏ hơn nhiều và tương tự kết cấu bê tông cốt thép. Do đó trong một hệ thống chịu lực ta nên chọn kết cấu ống thép nhồi bê tông làm các cấu kiện chịu nén, tuy nhiên trong một số trường hợp cũng có thể dùng làm cấu kiện chịu kéo vì một số lý do như: Để chống gỉ cho mặt trong ống thép hoặc tăng độ cứng chống uốn. Các kết cấu ống thép nhồi bê tông dùng trong xây dựng thường là kết cấu cột liên hợp, đó là cấu kiện chỉ chịu nén dọc trục. Nhưng trong thực tế cột không những chịu nén mà còn chịu uốn do lực nén đặt lệch tâm. Tiêu chuẩn chung của cột liên hợp là phần tử thép có tác động liên hợp với phần tử bê tông, vì vậy cả 2 phần tử thép và bê tông đều tham gia kháng lại lực nén, vỏ thép có tác dụng chịu kéo và chịu mô men uốn của cột. Các dạng lõi bê tông lý tưởng có tác dụng chống lại tải trọng nén và cản trở trạng thái oằn cục bộ ống thép. Vì vậy nên sử dụng cấu kiện cột bằng ống thép nhồi bê tông ở những vị trí chịu lực nén lớn, sự giãn nở bị động của thành bên được tạo ra bởi ống thép làm tăng cường độ, tính mềm dẻo, biến dạng của bê tông Có thể so sánh các kết cấu: bê tông cốt thép thường (RC), bê tông cốt thép thường có lõi là cốt thép cứng (SRC), kết cấu thép (S), kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFT) như sau: 13 Bảng 1.2. So sánh đặc điểm 1 số loại cấu kiện chịu nén. Tính chất Kết cấu RC SRC S CFT Độ cứng Rất tốt Rất tốt Khá Tốt Chống cháy Rất tốt Rất tốt Khá Tốt Tính dễ uốn Khá Tốt Rất tốt Rất tốt Thi công Tốt Khá Rất tốt Rất tốt Khá Tốt Rất tốt Rất tốt Áp dụng cho công trình chịu tải trọng lớn Như vậy với kết quả nghiên cứu và tổng hợp của các tác giả [] cho thấy, với phạm vi sử dụng cho các công trình nhà cao tầng, các công trình cầu chịu tải trọng và dao động lớn, kết cấu ống thép nhồi bê tông tỏ ra hiệu quả hơn so với các kết cấu truyền thống như kết cấu thép và kết cấu bê tông. Điều đó cho phép tác giả mạnh dạn trong việc nghiên cứu tính hiệu quả của kiểu kết cấu này vào trong công trình nhà công nghiệp nhằm có những đánh giá và kiến nghị về việc sử dụng kết cấu này vào xây dựng nhà công nghiệp. 1.5. Kết luận chương 1 Trong chương 1 đã thực hiện tổng quan về nhà công nghiệp cũng như các đặc điểm 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 tốt của loại kết cấu này rất phù hợp cho việc ứng dụng vào các công trình nhà công nghiệp bên cạnh kết cấu truyền thống (kết cấu thép, BTCT). Tuy nhiên để áp dụng vào trong thực tế thiết kế còn gặp khó khăn khi chưa có những đánh giá về mức độ hiệu quả của kết cấu ống thép nhồi bê tông sử dụng trong nhà công nghiệp so với kết cấu truyền thống. Chương 2 và chương 3 của luận văn sẽ trình bày cụ thể trình tự thực hiện thiết kế nhà công nghiệp một tầng sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông và kết cấu thép cùng với đó là các so sánh đánh giá để cung cấp có những hiểu biết về việc sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong nhà công nghiệp.