Hệ giằng khung thép Zamil, tính toán thế nào cho tiết kiệm

Nhà công nghiệp khung thép Zamil đã có mặt ở Việt Nam ngót nghét 30 năm và nhanh chóng trở nên phổ cập do mang lại giá trị kinh tế, nhanh gọn. Phổ biến đến mức người ta quen gọi theo tên riêng, giống như xe máy Honda vậy. Danh từ chung gọi là nhà khung thép tiền chế (PEB - Pre Engineered Building), để chỉ nhà khung thép vát, mà sau này có rất nhiều thương hiệu ra đời và cùng chia miếng bánh thị trường nhà xưởng Việt Nam. Mặc dù thời gian lâu như vậy nhưng các kỹ sư chưa hẳn đã hiểu ngọn ngành từng chi tiết cấu tạo, cái nào có thể bỏ hay làm nhỏ đi. Chủ yếu làm theo thói quen, kiểu như bốc thuốc theo barem sẵn với nhà nhịp này, bước khung này thì kích thước khung cứ thế này mà giã, tính toán làm gì, blah blah. Với sở thích ngứa ngáy kỹ sư phải trả lời câu hỏi tại sao (còn thạc sỹ là tại sao của tại sao 🤣…), và quan trọng hơn, xem cái nào có thể giảm thiểu để tiết kiệm 💰 cho Ông chủ nhà. Bài viết này xin giải mã một số cái gọi là “cấu tạo” của nhà khung PEB.

Khung vát

Đây là hệ chịu lực chính của nhà, thường là các khung phẳng song song với nhau. Lý do làm vát cột, kèo của khung thép mà không làm các thanh thẳng, rất đơn giản là sử dụng hợp lý vật liệu. Các vùng chịu nhiều lực do tải trọng tác động (trọng lượng, gió,…) thì làm to hơn. Do đó giảm thiểu khối lượng vật liệu, tiết kiệm chi phí và thời gian lắp dựng. Hơn nữa nhìn khung vát cũng khá thẩm mỹ đó chứ 💎

Quan niệm phổ biến của hầu hết anh em kỹ sư là tính toán theo sơ đồ khung phẳng theo Tiêu chuẩn Việt Nam. Sau đó bố trí hệ giằng, thường ở các khoang đầu và khoang nhiệt độ theo yêu cầu “cấu tạo”. Cấu tạo ở đây được hiểu là để đảm bảo ổn định cho cột, kèo theo phương ngoài mặt phẳng khung. Hệ giằng cần những thanh nào, kích thước bao nhiêu, ta phải tính được bài toán ổn định của khung.

Vấn đề lớn ở đây là TCVN, vốn dịch từ tiêu chuẩn Nga và Liên Xô cũ, không có điều khoản nào tính toán ổn định của khung vát. Thật đáng ngạc nhiên cho loại sản phẩm đã sử dụng phổ biến hơn 30 năm qua. TCVN  thì không dùng được rồi. Tốt nhất là dùng các tiêu chuẩn của các nước phát triển, được nhiều quốc gia công nhận và có nhiều phần mềm máy tính áp dụng, như Mỹ (AISC,..) hay châu Âu Eurocode (EN 1993).

Ở đây xin lựa chọn EN 1993, vì tính phù hợp đơn vị hệ mét và theo định hướng sắp tới TCVN sẽ chuyển toàn bộ sang theo Eurocode.

Một sai lầm nữa cần tránh mà nhiều nhà thầu kết cấu thép quen làm, là thiết kế theo tiêu chuẩn nào thì tải trọng phải xác định theo tiêu chuẩn đó. Đặc biệt tải trọng gió vốn ảnh hưởng nhiều đến kết quả của khung thép. Không được “râu ông nọ cắm cằm bà kia” kiểu tải trọng thì theo TCVN, tính toán kích thước cột, kèo lại theo AISC, EN… Gặp thẩm tra thẩm định phang cho lại không có căn cứ pháp lý nào mà bảo vệ😨

Nguyên lý tính toán ổn định

Khác với bê tông, kết cấu thép thường được tổ hợp từ các bản thép mỏng để tiết kiệm vật liệu. Do đó đặc điểm của kết cấu thép là dễ bị mất ổn định. Để hiểu về sự mất ổn định có thể lấy ví dụ như sau:

Hình dung bạn phải gắng sức dùng lực 2 tay nén một cục nhựa hình viên gạch từ 2 đầu. Liệu bạn có thể phá vỡ nó? Nhìn là ngán ngẩm không thể rồi.

Nhưng nếu thanh nhựa đó chỉ mỏng còn 0,5mm, trông giống một cái thước dây hơn. Lúc này việc dùng 2 tay nén làm nó cong và gãy một cách dễ dàng. Tại sao nhỉ? Cùng 1 loại vật liệu, cùng phương tác dụng lực, cùng áp lực (lực trên 1 đơn vị diện tích) vẫn nhỏ hơn cường độ vật liệu nhựa, mà trường hợp sau dễ bị phá hoại hơn?

Câu trả lời là do hiện tượng mất ổn định. Có thể thấy trước khi phá hoại, thước nhựa bị uốn cong, vặn đi dù chỉ chịu lực nén còn viên gạch ở trường hợp 1 hầu như không bị. Việc bẻ cong đó làm cho áp lực tăng lên nhiều so với chỉ áp lực nén. Sự mất ổn định (buckling) tác dụng giống như 1 hệ số nhân bội lên tải trọng ban đầu làm cho vật bị phá hoại.

Nếu vẫn cái thước đó mà lực nén phân bố đều 1 cách lý tưởng thì áp lực giống như trường hợp viên gạch, không đến nỗi gây nên phá hoại, như hình bên trái. Nhưng đó là lý tưởng, còn thực tế, lực nén luôn có độ lệch tâm ngẫu nhiên nào đó (Global Imperfection), như 2 tay bạn ép kiểu gì cũng có độ lệch nhau làm xuất hiện sự uốn như trên (gọi là uốn dọc) như hình bên phải.

Các vật mảnh mai có xu hướng dễ bị mất ổn định hơn. Đó chính là đặc trưng của kết cấu thép. Cho dù cường độ của vật liệu thép lớn vẫn đủ khả năng chịu tải trọng, nhưng do tính mảnh mai dễ bị vặn vẹo khỏi hình dạng ban đầu, làm bản thép không thể chịu lực được nữa và làm kết cấu bị phá hoại méo mó, thậm chí sụp đổ.

Hệ giằng trong nhà thép do đó đóng vai trò không thể thiếu, để ngăn các biến dạng vặn vẹo do mất ổn định gây ra trong khung chính chịu lực, ngăn ngừa việc tải trọng bị nhân lên bội phần do mất ổn định gây ra dẫn tới phá hoại công trình.

Để không phải làm những bài toán ổn định với tích phân phức tạp, vì tôi vốn dốt toán🤭, cách dễ làm nhất là dùng máy tính với phần mềm phù hợp. Các phần mềm tính toán kết cấu phổ biến các kỹ sư đang dùng hiện nay không mô hình được đến biến dạng vặn xoắn của tiết diện thanh thép do mất ổn định. Do đó cần đến phần mềm chuyên dụng, cộng với hiểu biết nguyên lý cơ bản của người kỹ sư để kiểm soát kết quả.

👜Ví dụ 1 nhà xưởng nhịp 36m (không có cột giữa), cũng thuộc dạng nhịp lớn để làm khung Zamil rồi. Nếu nhịp lớn hơn có lẽ sử dụng dàn thép thay cho kèo sẽ kinh tế hơn.

 

Xà gồ

Chức năng hiển nhiên là đỡ tấm tôn mái, tôn tường, truyền tải trọng về khung rồi. Nhưng xà gồ còn có chức năng quan trọng nữa là giúp khung không bị mất ổn định. Xà gồ mái ngăn sự vặn oằn của bản thép cánh trên kèo do mất ổn định. Tương tự, xà gồ tường tăng ổn định cho cánh ngoài của cột khung.

Dạng mất ổn định của khung khi không có xà gồ

Dạng mất ổn định của khung khi có xà gồ

 

Việc tính toán theo thói quen theo sơ đồ khung phẳng thì không thể nhìn thấy vai trò này của xà gồ và tính được cần bao nhiêu xà gồ để ổn định được khung. Rõ ràng phải xét mô hình 3D của cả hệ khung, xà gồ, giằng trong phần mềm tính toán. Hơi mất công nhưng giá trị mang do tiết kiệm được lại cũng đáng để làm đó.

Loại xà gồ phổ biến trong nhà xưởng hiện nay được gia công bằng cách dập các bản tôn mỏng thành hình thanh chữ Z, chữ C. Điều này giúp các thanh có trọng lượng rất nhẹ mà độ cứng tạo ra lớn. Giống như trò chơi gấp tờ giấy hình zigzag sẽ đạt độ cứng đáng ngạc nhiên, có thể đỡ vật nặng như hình dưới. Đó cũng là nguyên lý tại sao tạo sóng cho tấm tôn.

Lại một thiếu sót nữa của TCVN hiện nay là không có cách tính toán các thanh thành mỏng. Do vậy càng nên dùng phần mềm thiết kế xà gồ theo Eurocode cho đồng bộ.

Trong thực tế các thanh xà gồ nối chồng với nhau tại vị trí khung thép. Do đó coi như 1 thanh liên tục, tại vị trí nối ta có 2 chữ Z lồng vào nhau nên khả năng chịu lực tăng lên rõ rệt, phù hợp với sơ đồ chịu tải trọng của xà gồ, như dưới đây.

Sơ đồ tính toán xà gồ chữ Z liên tục và dạng mất ổn định của xà gồ khi không có giằng xà gồ

Chi tiết nối xà gồ

Tôn sóng

Chức năng chính là bao che cho mái, tường. Các tấm tôn được tạo sóng cũng có độ cứng rất tốt để chịu tải trọng trước khi truyền tải về xà gồ, khung: trọng lượng, máy móc sửa chữa, tải trọng gió…

Ngoài ra tôn mái, tấm tôn tường cũng đóng vai trò quan trọng tăng khả năng giữ ổn định cho hệ xà gồ và khung. Cả một tấm thép lớn thế cơ mà. Một lần nữa thói quen tính khung phẳng bằng TCVN thì không tính đến được sự làm việc này và sẽ thiên về an toàn, lãng phí💰

Sơ đồ thiết kế 3D của khung nhà, để tránh phức tạp quá, sẽ không mô hình các tấm tôn mà chỉ tính toán độ cứng của nó làm tăng độ cứng của cánh trên xà gồ như hình dưới. Do đó sơ đồ tính toán 3D trong phần mềm mô phỏng gần sự làm việc cùng nhau của nhà PEB trên thực tế nhất.

Mô hình độ cứng tôn mái lên xà gồ

Giằng chữ X

Trường hợp không có hệ giằng chữ X ở 2 khoang đầu hồi, các khung hồi và khung giữa đều bị mất ổn định như hình bên dưới

Dạng mất ổn định của khung khi không có giằng X

Bây giờ ta cấu tạo giằng chữ X ở trên mái đúng bài cấu tạo: dùng thép thanh D20 là loại phổ biến hiện nay. Khả năng giữ ổn định cho kèo thép được cải thiện đáng kể, đặc biệt khi chịu tải trọng gió thổi theo phương dọc nhà (vuông góc với mặt phẳng khung)

Dạng mất ổn định của khung khi có giằng X

Tương tự việc bố trí giằng X giữa các cột khung cùng khoang với giằng mái cải thiện ổn định cho cột khung đáng kể.

 

Giằng cứng

Khi tải trọng lớn quá như khung nhịp 36m trong ví dụ này, chỉ các giằng X theo truyền thống không đủ giữ ổn định. Để tránh tăng kích thước khung chính, tiết kiệm vật liệu, ta cần bố trí thêm các giằng cứng (Strut). Thường làm bằng thép hình, chữ C, hộp,… theo phương vuông góc mặt phẳng khung, ở các vị trí nút khung hồi nối với khung giữa, đỉnh mái...

Dạng mất ổn định của khung khi không có giằng cứng

Giằng cánh

Xà gồ và tôn mái giữ vững ổn định cho cánh trên của kèo thép (và cánh ngoài cột thép). Thế cánh còn lại thì giữ ổn định kiểu gì? Người ta thường sử dụng giằng cánh (Flange Brace). Có công dụng rất lớn để giữ cánh dưới kèo và cánh trong cột khung không bị oằn do mất ổn định. Có thể thấy rõ sự khác biệt của khung khi có và không có giằng cánh như hình dưới

Khả năng chịu tải của khung khi không có giằng cánh

Khả năng chịu tải của khung khi có giằng cánh

Trong các hình trên con số % là tỷ lệ tải trọng so với khả năng chịu tải, có xét đến ổn định của khung. Khi không có giằng cánh, tải trọng vượt quá khả năng giữ ổn định của khung (lớn hơn 100% ở các vùng chịu tải lớn), kết cấu bị mất ổn định.

Giằng cánh thường bằng thanh thép góc nhỏ, liên kết cánh dưới kèo với xà gồ. Thật đáng ngạc nhiên khi việc chống vào cái xà gồ mỏng manh có thể cải thiện độ ổn định cho cánh dưới kèo khung một cách đáng kể.

Nếu chiều cao tiết diện thanh kèo hay cột lớn hơn 1m, cần bố trí giằng cánh chéo 2 bên kèo, còn thông thường chỉ cần bố trí 1 bên cho tiết kiệm. Theo thói quen các nhà thầu thường cấu tạo giằng cánh bướm tại tất cả các vị trí có xà gồ. Nhưng việc tính toán ổn định cho thấy không cần thiết, có thể giảm rất nhiều chi phí bằng cách chỉ bố trí giằng tại các vị trí dễ bị mất ổn định như hình dưới đây của ví dụ. Một lần nữa tri thức lại lên ngôi trong việc giúp 🎩Ông chủ tiết kiệm khối tiền không cần thiết.

Không cần bố trí giằng cánh ở mọi xà gồ để tránh lãng phí

Giằng xà gồ

Chức năng chính là giữ ổn định cho xà gồ. Như ta đã biết xà gồ vốn làm từ các tấm thép rất mỏng, nên dễ bị vặn oằn, mất ổn định hơn nhiều lần so với thép bản của khung chính.

Việc tính toán ổn định chi tiết của xà gồ cho thấy chỉ cần sử dụng giằng xà gồ khi nhịp xà gồ (bước khung) đủ lớn (trên 8,5m), hay tải trọng mái có sự đột biến để đảm bảo ổn định.

Cần 1 hay 2 điểm giằng, kích thước giằng xà gồ là bao nhiêu (thông thường dùng ty thép tròn đường kính 12mm) cũng được tính toán chi tiết nhờ phần mềm. Hình dưới minh họa ví dụ khi có và không có giằng xà gồ nhịp 11m với 2 điểm giằng.

Dạng mất ổn định của xà gồ khi không có giằng xà gồ

Dạng mất ổn định của xà gồ khi có giằng xà gồ

 

Rồi, vậy là những cái trước nay ta coi là “cấu tạo” thực ra đóng vai trò quan trọng trong đảm bảo an toàn cho kết cấu thép. Đọc đến đây có thể bạn sẽ thấy buồn cười, vì cái nhà đơn giản này 30 năm rồi làm mãi cũng quen, cần gì phải đào sâu từng thanh thép như vậy😯 Ngoài lý do đam mê trả lời câu hỏi Tại sao, người kỹ sư có thể áp dụng những hiểu biết này để hướng tới mục tiêu thiết thực hơn: tiết kiệm tiền cho 🎩 chủ nhà. Nắm vững nguyên lý cơ bản từ đó áp dụng cho những kiến trúc bay bổng hơn dùng kết cấu thép, thay vì những khối bê tông nặng nề.

Một lần nữa, không phải tui lạm dụng mấy từ tiếng Anh vì sính ngoại nha. Đó là các từ khóa hữu hiệu để Google về chủ đề này cho các bạn tự tìm tòi thêm, so với nguồn tài liệu tiếng Việt còn hạn chế hiện nay.