Xác định tải trọng — Bước khởi đầu cho độ ổn định của giàn
Một dàn thép một giàn được thiết kế hoàn hảo để chịu tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời nhưng không tính đến lực nâng do gió sẽ bị phá hoại khi có bão đi qua — lực hút ở phía khuất gió vượt quá tải trọng thường xuyên, thanh cánh dưới chịu nén và giàn bị mất ổn định do uốn dọc hướng lên trên. Việc xác định tải trọng là điều kiện chi phối mọi quyết định thiết kế tiếp theo.
Tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời, tải trọng gió và tải trọng tuyết theo ASCE 7 và Eurocode
Bốn trường hợp tải trọng kiểm soát dàn thép thiết kế. Tải trọng chết — trọng lượng bản thân vì kèo (0,10 đến 0,25 kN/m²) cộng với xà gồ, lớp lợp, lớp cách nhiệt và trần — là tải trọng cố định. Tải trọng sống — từ 0,6 đến 1,0 kN/m² theo tiêu chuẩn ASCE 7 — bao gồm tải trọng trong quá trình thi công và bảo trì. Tải trọng gió theo Chương 27 của ASCE 7 hoặc Eurocode 1 Phần 1-4 là loại tải phức tạp nhất: áp lực dương trên tường đón gió, lực hút trên mái và hệ số áp lực bên trong thay đổi tùy theo diện tích các khe hở. Một dàn thép thiết kế không thực hiện phân tích chống nâng có thể đáp ứng khả năng chịu kéo của thanh cánh dưới nhưng lại thiếu khả năng chịu nén khi tải trọng gió đảo chiều. Tải trọng tuyết — từ 0,5 đến hơn 4,0 kN/m², phụ thuộc vào lượng tuyết trên mặt đất, mức độ phơi nhiễm, hệ số nhiệt và độ dốc mái — là tải kiểm soát trong các vùng khí hậu lạnh. Sự tích tụ tuyết trôi dạt tại các tường chắn và những chỗ thay đổi độ cao mái làm tập trung tải trọng lên một phần vì kèo, điều mà thiết kế dựa trên tải phân bố đều không lường trước được.
Ví dụ thực tế — Thiết kế lại vì kèo mái kho sau khi tuyết tích tụ
Một kho hàng có khẩu độ 30 mét tại khu vực có tải trọng tuyết trên mặt đất là 1,5 kN/m² đã gặp hiện tượng võng cục bộ ở mái — không sập, nhưng võng rõ rệt. Quá trình điều tra xác định thiết kế ban đầu giả định tải tuyết phân bố đều. Tuy nhiên, công trình có tường chắn (parapet) gây hiện tượng tích tụ tuyết do gió thổi dồn — các quy định về tích tụ tuyết trong tiêu chuẩn ASCE 7 dự báo tải trọng lên đến 2,2 kN/m² trong phạm vi 6 mét đầu tiên gần tường chắn. dàn thép công ty Zeyongsteel (Công ty Kỹ thuật Kết cấu Thép Chiết Giang Zeyong), một doanh nghiệp sở hữu chứng chỉ thi công kết cấu thép hạng nhất, xếp hạng tín dụng AAA và có quan hệ hợp tác với Tập đoàn Xây dựng Đường sắt Trung Quốc và Tập đoàn Đường sắt Trung Quốc, đã thiết kế lại giàn giáo (truss) bằng cách gia cường các thanh cánh trên trong vùng tích tụ tuyết và bổ sung thêm các thanh bụng. Kho hàng này đã vận hành bình thường qua hai mùa đông có tuyết nặng liên tiếp mà không xuất hiện hiện tượng võng nào.
Lựa chọn kiểu giàn giáo (truss) theo khẩu độ và hình dạng mái
Giàn giáo Pratt, Warren, Howe và Fink
Cấu hình của một dàn thép xác định các thanh nào chịu nén và thanh nào chịu kéo — từ đó xác định hiệu quả sử dụng vật liệu. Dàn Pratt (các thanh đứng chịu nén, các thanh chéo chịu kéo) hiệu quả đối với nhịp từ 10 đến 30 mét — các thanh đứng ngắn hơn chống mất ổn định do uốn dọc tốt hơn các thanh chéo dài hơn. Dàn Warren (các thanh chéo xen kẽ tạo thành các tam giác đều hoặc tam giác cân) sử dụng ít thanh hơn, giúp giảm chi phí gia công, và là loại tiêu chuẩn cho nhịp từ 15 đến 40 mét. Dàn Howe (các thanh chéo chịu nén) được sử dụng khi tải trần đặt ở thanh cánh dưới làm đảo chiều ứng suất trong các thanh chéo. Dàn Fink (các thanh bụng dạng quạt xuất phát từ đỉnh trung tâm) là loại tiêu chuẩn cho mái nhà ở có độ dốc, với nhịp từ 8 đến 15 mét. Việc lựa chọn cấu hình là một quyết định nhằm tối ưu hiệu quả sử dụng vật liệu: các thanh chịu nén dài hơn đòi hỏi tiết diện lớn hơn để ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định do uốn dọc.
Thiết kế các thanh — thanh cánh, thanh bụng và liên kết
Lựa chọn tiết diện, giới hạn tỷ số độ mảnh và thiết kế bản thép nối
Các thanh cánh của một dàn thép được thiết kế để chịu lực dọc trục — kéo ở thanh dưới, nén ở thanh trên và đảo chiều ứng suất dưới tác động của lực gió nâng lên. Việc lựa chọn tiết diện cân bằng giữa diện tích (khả năng chịu lực dọc trục) và bán kính quán tính (khả năng chống mất ổn định do uốn dọc). Các tiết diện rỗng kết cấu (HSS) mang lại hiệu quả nén đồng đều — một tiết diện HSS 100×100×5 có bán kính quán tính r≈39 mm theo cả hai phương, trong khi một tiết diện chữ I tương đương có r=45 mm theo trục mạnh và r=25 mm theo trục yếu. Tỷ số độ mảnh đối với các thanh chịu nén không được vượt quá 200 theo Điều E2 của tiêu chuẩn AISC 360. Các bản thép nối (gusset plates) tại các mối nối giữa thanh bụng và thanh biên — thường dày từ 8 đến 12 mm đối với nhịp từ 20 đến 30 mét — truyền lực dọc trục từ các thanh bụng vào các thanh biên thông qua các mối hàn theo Chương J của tiêu chuẩn AISC 360 hoặc EN 1993-1-8. Các liên kết có kích thước nhỏ hơn yêu cầu là điểm khởi đầu phổ biến nhất của sự phá hoại.
Hệ thống giằng và hệ thống ổn định thứ cấp
Giằng mái, giằng thanh biên dưới và hệ tấm lợp–xà gồ làm việc như một bản cứng (diaphragm)
Một dàn thép ổn định trong mặt phẳng của nó — cấu trúc tam giác chống lại các lực nằm trong mặt phẳng. Theo phương vuông góc với mặt phẳng, giàn chịu nén là một cột mảnh dễ bị mất ổn định bên cạnh nếu không có hệ giằng. Hệ giằng mái — gồm các thanh chéo hoặc thanh góc đặt tại thanh biên trên, nối các giàn kề nhau — tạo điểm chống xoay cách nhau 6–8 mét. Hệ giằng thanh biên dưới thực hiện chức năng tương tự đối với thanh biên dưới khi chịu tải gió nâng lên. Cơ chế làm việc của hệ tấm lợp – xà gồ — tấm kim loại được bắt vít vào xà gồ, còn xà gồ thì được bulông vào thanh biên trên, tạo thành một bản cứng (diaphragm) truyền tải trọng gió ngang tới hệ giằng tường bên. Một giàn được thiết kế mà không tính đến đóng góp của hệ giằng sẽ nặng hơn và tốn kém hơn mức cần thiết; ngược lại, một giàn phụ thuộc vào hệ giằng vốn không tồn tại thì sẽ không an toàn.
Các câu hỏi thường gặp
Cấu hình giàn thép nào ổn định nhất?
Giàn Warren mang lại tỷ lệ ổn định trên vật liệu tốt nhất cho dàn thép nhịp từ 15 đến 40 mét. Giàn Pratt hiệu quả cho nhịp từ 10 đến 30 mét. zeyongsteel thiết kế và gia công tất cả các cấu hình giàn chính.
Tải gió nâng ảnh hưởng thế nào đến thiết kế giàn thép?
Tải gió nâng lên một dàn thép đảo ngược lực thành viên — thanh dưới chuyển từ chịu kéo sang chịu nén, và thanh trên chuyển từ chịu nén sang chịu kéo. Việc gia cố thanh dưới là yếu tố thiết yếu nhằm ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định bên dưới tác dụng của tải nâng.
Nhịp tối đa của giàn mái thép là bao nhiêu?
Một dàn thép có thể đạt nhịp trên 50 mét đối với mái công trình thương mại và công nghiệp khi sử dụng giàn thép có chiều cao lớn (tỷ lệ chiều cao giàn so với nhịp từ 1/10 đến 1/15). Nhịp giàn dân dụng thường nằm trong khoảng 8–15 mét. zeyongsteel đã thực hiện các dự án kết cấu thép tiêu biểu trong các lĩnh vực cơ sở hạ tầng và công trình tổ hợp.
Việc tích hợp tải gió tuyết dồn (snow drift) được thực hiện như thế nào trong thiết kế giàn thép?
Gần tường chắn (parapet) và những chỗ thay đổi độ cao mái dàn thép có thể làm tăng tải trọng cục bộ lên 50–100% so với tải trọng bình thường trên một phần của nhịp theo quy định về tải gió tuyết dồn trong tiêu chuẩn ASCE 7. Việc gia cường cục bộ các thanh kết cấu trong vùng chịu ảnh hưởng bởi gió tuyết dồn là bắt buộc.
Giàn mái thép cần loại giằng nào?
Một dàn thép yêu cầu gia cố thanh biên trên ở các khoảng cách 6–8 mét, gia cố thanh biên dưới trong các vùng chịu lực nâng do gió và một màng mái được tạo thành bởi tấm lợp kim loại được liên kết với các thanh xà gồ. Việc gia cố nhằm ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định ngoài mặt phẳng.
Các mối nối dàn thép được thiết kế như thế nào?
Dàn thép các mối nối sử dụng các bản mã dày 8–12 mm với các mối hàn góc được xác định kích thước theo tiêu chuẩn AISC 360 hoặc EN 1993-1-8. Các mối nối có kích thước nhỏ hơn yêu cầu là điểm khởi đầu phổ biến nhất của sự phá hoại — kích thước mối hàn phải tương ứng với khả năng chịu lực dọc trục của thanh bụng.
EN
