Kết cấu khung thép

Kết cấu khung thép ngày càng được ứng dụng nhiều trong xây dựng. Vậy kết cấu khung thép là gì? Vì sao nên chọn kết cấu khung thép để xây dựng? Hãy cùng mình tìm hiểu qua bài viết sau đây nhé.

Kết cấu khung thép là gì?

Với những cải tiến về chất lượng và quy trình sản xuất kim loại, thép đã trở thành một trong những vật liệu phổ biến nhất được sử dụng trên thế giới và đóng một vai trò quan trọng trong ngành xây dựng.
Kết cấu thép là kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng được thiết kế và cấu tạo bởi thép. Đây là loại kết cấu được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong các công trình xây dựng có quy mô lớn (Nhà thép tiền chế) bởi những đặc tính hữu ích của thép. Nhờ cường độ chịu lực cao của thép, kết cấu này rất chắc chắn và đòi hỏi ít nguyên liệu hơn các loại kết cấu khác như kết cấu bê tông hay kết cấu gỗ.
Trong xây dựng hiện đại, kết cấu khung thép được sử dụng phổ biến cho các loại kết cấu công trình như: nhà xưởng công nghiệp, văn phòng, hàng rào, cầu, băng tải,…

Thép được chế tạo từ các thành phần hóa học cụ thể với nhiều hình dạng khác nhau nhằm để phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của từng công trình. Tùy thuộc vào kỹ thuật áp dụng cho từng dự án mà thép được chế tạo thành nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau. Các hình dáng phổ biến của kết cấu thép bao gồm: I-beam, HSS, thép chữ C, thép góc, thép đĩa…

Các loại kết cấu khung thép

Các loại kết cấu khung thép phổ biến:

• Cấu trúc khung: Dầm và cột
• Cấu trúc lưới: Cấu trúc dạng lưới/Mái vòm
• Kết cấu dự ứng lực
• Cầu dầm
• Cầu cáp văng
• Cấu trúc giàn
• Cầu vòm
• Kiến trúc vòm
• Cầu treo
• Cầu giàn: Cấu kiện giàn

Ưu nhược điểm của kết cấu thép

Ưu điểm

Thời gian thi công nhanh

Các cấu kiện được chế tạo tại nhà máy (tiến hành song song với quá trình thi công móng trên công trường) và lắp ráp trên công trường theo bản vẽ kiến trúc và bản vẽ kỹ thuật đã chỉ định sẵn ngay sau khi thi công xong phần móng, giúp rút ngắn thời gian thi công tại công trường.

Khả năng vượt nhịp lớn

Kết cấu thép có khả năng tạo nên giàn không gian vượt nhịp lớn tạo không gian rộng hơn cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Các không gian này sẽ không bị ảnh hưởng bởi các cột, và khoảng cách giữa các cột có thể lớn hơn 30m, thuận tiện cho gia công và thi công: gia công trong nhà xưởng (khống chế chặt chẽ tiến độ và chất lượng) và vận chuyển lắp dựng tại công trường.

Độ tin cậy và khả năng chịu lực cao

Do vật liệu thép có cường độ lớn, lớn nhất trong các vật liệu xây dựng nên kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn. Độ tin cậy cao là do cấu trúc thuần nhất của thép. Sự làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu thép gần sát nhất với các giả thiết tính toán.Kết cấu thép khó biến dạng trong quá trình sử dụng, khôn. Chính vì khả năng chịu lực cao nên rất nhiều công trình xây dựng cơ sở vật chất kỹ thuật, cơ sở hạ tầng và hay nhưng nhà cao tầng đều sử dụng kết cấu thép để đảm bảo kết cấu cho ngôi nhà.Các cấu kiện được gia công tại nhà máy thông qua các quy trình, tiêu chuẩn, và sự kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt trước khi thi công tại công trường. Điều này giúp cho quá trình xây dựng diễn ra an toàn và chất lượng công trình được đảm bảo.

Tính công nghiệp hóa cao

 Do sự sản xuất vật liệu (thép cán) hoàn toàn trong các nhà máy luyện kim, và sự ché tạo kết cấu thép được làm chủ yếu trong các nhà máy chuyên nghành. Kết cấu thép thích hợp nhất với điều kiện xây dựng công nghiệp hóa.

Tăng độ thẩm mỹ cho công trình

Kết cấu thép mang đến vẻ đẹp độc đáo cho công trình, phù hợp với lối kiến trúc hiện đại, khung thép thường nhẹ, dễ tạo hình, giúp tạo điểm nhấn trong kiến trúc.

Linh hoạt

Dễ dàng nâng cấp, sửa đổi trong tương lai cho những ứng dụng mới như linh hoạt trong việc mở rộng không gian đó bằng cách thêm các khung thép bổ sung. Bên cạnh đó, do công trình được kết nối từ các bu-lông nên hoàn toàn có thể tháo rời các cấu kiện và tái sử dụng, lắp đặt ở vị trí mới.

Tính kín, không thấm nước

Vật liệu và liên kết cấu thép có tính kín không thấm nước, không thấm khí, nên thích hợp cho những công trình bể chữa chất lỏng, cất khí; điều này khó thực hiện đối với các vật liệu khác.

Tiết kiệm chi phí

Chi phí xây dựng nhà khung thép rõ ràng được tiết kiệm tối ưu

Nhược điểm

Bị ăn mòn

Trong môi trường không khí ẩm, nhất là trong môi trường xâm thực, thép bị gỉ và từ gỉ bề mặt cho đến phá hoại hoàn toàn.

Chịu lửa kém

Thép không cháy nhưng ở nhiệt độ t= 500 : 600 độ C, thép chuyển sang dẽo, mất khả năng chịu lực, kết cấu bị sụp đỗ dễ dàng. Độ chịu lữa của kết cấu thép thậm chí kém cả kết cấu gỗ dán. Tuy nhiên các công ty xây nhà thép tiền chế hiện nay đều đã tìm ra giải pháp để khắc phục điều này.

Phạm vi ứng dụng kết cấu thép

Như đã nói ở trên, kết cấu thép phù hợp với những công trình lớn, cần độ bền cao. Các công trình cụ thể đó là:

• Nhà công nghiệp, nhà máy, nhà xưởng, nhà kho
• Cầu đường bộ, đường sắt
• Nhà thi đấu, nhà triển lãm, nhà chứa máy bay
• Khung nhà cao tầng, cụ thể là khung nhà cao trên 15 tầng
• Các loại cột điện, cột ăng ten vô tuyến, kết cấu tháp khoan dầu

Thiết kế kết cấu thép

Cấu tạo chính của một công trình thép

Hiện nay, kết cấu thép được sử dụng ngày càng nhiều trong xây dựng. Vậy cấu tạo chính của một công trình thép là gì?

• Phần khung thép bao gồm: cột thép, kép thép, dầm sàn thép.
• Kết cấu hệ giằng bao gồm: giằng mái và giằng cột.
• Phần bao che: xà gồ mái, xà gồ vách, tôn mái, tôn vách…
• Kết cấu phụ: canopy, nóc gió, mặt dựng…

Nguyên tắc thiết kế

Tính toán kết cấu thép theo trạng thái giới hạn. Kết cấu thép được tính sao cho không vượt quá trạng thái giới hạn của nó.

Trạng thái giới hạn là trạng thái mà khi vượt quá thì kết cấu không còn thỏa mãn các yêu cầu sử dụng hoặc khi lắp dựng được đề ra đối với nó khi thiết kế. Các trạng thái giới hạn bao gồm:

• Các trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực là các trạng thái mà kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực, sẽ bị phá hoại, sụp đổ hoặc hư hỏng làm nguy hại đến sự an toàn của con người, của công trình.
• Các trạng thái giới hạn về sử dụng là các trạng thái mà kết cấu không còn sử dụng bình thường được nữa do bị biến dạng quá lớn hoặc do hư hỏng cục bộ. Các trạng thái này bao gồm: trạng thái giới hạn về độ võng và biến dạng làm ảnh hưởng đến việc sử dụng bình thường của thiết bị máy móc, con người hoặc làm hỏng sự hoàn thiện của kết cấu

Quy trình thiết kế

Mọi công trình nhà công nghiệp, nhà xưởng tiền chế cần đảm bảo đúng quy trình thiết kế kết cấu thép tiêu chuẩn hiện nay, bao gồm: 

• Xem xét, cân nhắc mặt bằng thiết kế
• Tính toán chi tiết tải trọng công trình, gồm: Tải trọng cột, dầm, sàn; Tải trọng tường, trần, sàn khi hoàn thiện; Tải trọng cầu trục, tải trọng gió
• Tổng tải trọng toàn bộ, xem xét chỗ nào là phần yếu nhất của cả công trình

Ngoài việc tính toán tải trọng cho công trình khi hoàn thiện thì kiến trúc sư và những người thi công công trình cần tính toán tải trọng trong quá trình thi công. Tải trọng về nguyên vật liệu, về vị trí thi công. Nếu không tính toán cẩn thận thì việc tai nạn trong quá trình thi công sẽ rất dễ xảy ra. Bởi vậy mà hãy tính toán thật chi tiết tải trọng thi công và tải trọng công trình hoàn thiện. 

Các tiêu chuẩn đánh giá phương án thiết kề

Một thiết kế kết cấu thép đạt tiêu chuẩn sẽ được đánh giá thông qua khả năng, cường độ chịu lực của toàn bộ kết cấu. Ngoài ra còn cần phải đảm bảo độ võng của thép. Đánh giá phương án thiết kế kết cấu thép cần xem xét tất cả các thiết kế trước, trong và sau quá trình thi công. 

Các tiêu chuẩn đánh giá kết cấu thép của Việt Nam hiện nay:

• Tiêu chuẩn tải trọng và tác động: TCXDVN 2737-1995
• Tiêu chuẩn gió TCVN 229 - 1999
• Tiêu chuẩn kết cấu bê tông: TCXDVN 5574 - 2012
• Tiêu chuẩn kết cấu thép: TCXDVN 5575-2012
• Tiêu chuẩn móng cọc: TCVN 10304-2014
• Tiêu chuẩn nền: TCVN  9362-2012

Thông tin về kết cấu thép  mà Thành Phát đã chia sẻ, hy vọng sẽ giúp bạn có thể kiến thức về nhà kết cấu thép. Hãy thật tỉ mỉ và tính toán thật kỹ sở hữu ngôi nhà lâu bền. Chúc các bạn thành công!