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
- 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

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

- 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,

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

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
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

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
;

+ 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

- 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