Trong kiến trúc và kỹ thuật hiện đại, Giàn thép được sử dụng rộng rãi vì sức mạnh, sự ổn định và tính linh hoạt tuyệt vời của nó. Dù là nhà máy công nghiệp lớn, sân vận động hay cơ sở hạ tầng như cầu, giàn thép đều đóng một vai trò quan trọng. Tuy nhiên, để thiết kế giàn thép an toàn, đáng tin cậy và hiệu quả, cần phải xem xét một số yếu tố chính.
1. Phân tích tải
Tải trọng là cơ sở của thiết kế giàn thép. Trong quá trình thiết kế, các tải trọng khác nhau có thể tác dụng lên giàn phải được xác định chính xác, bao gồm tĩnh tải (như trọng lượng của chính kết cấu), hoạt tải (như trọng lượng của người, thiết bị, hàng hóa, v.v.), tải trọng gió, tải tuyết, hiệu ứng động đất, v.v. Thông qua phân tích tải trọng chi tiết, có thể xác định được ứng suất và biến dạng tối đa mà giàn cần chịu, làm cơ sở cho thiết kế kết cấu tiếp theo.
Đối với các kịch bản ứng dụng khác nhau, giá trị và sự kết hợp của tải cũng sẽ khác nhau. Ví dụ, trong các nhà máy công nghiệp, có thể cần phải xem xét tải trọng rung của thiết bị lớn; trong thiết kế cầu, tải trọng xe và tác động của dòng nước là những cân nhắc quan trọng.
2. Lựa chọn hình thức kết cấu
Các dạng kết cấu của kèo thép rất đa dạng, trong đó phổ biến nhất là kèo tam giác, kèo hình thang, kèo hợp âm song song, v.v. Việc lựa chọn dạng kết cấu phù hợp đòi hỏi phải xem xét toàn diện các yêu cầu công năng, nhịp, chiều cao, điều kiện thi công và các yếu tố khác.
Giàn tam giác có đặc tính ổn định tốt, phân bố nội lực đồng đều, phù hợp với các công trình có nhịp nhỏ hơn; giàn hình thang hoạt động tốt trong các kết cấu nhịp lớn và có thể cung cấp không gian rộng hơn; giàn hợp âm song song chế tạo đơn giản và dễ lắp đặt nhưng cần có biện pháp gia cố khi nhịp lớn.
Ngoài ra, các hình dạng đặc biệt của giàn, chẳng hạn như giàn vòm và giàn không gian, có thể được thiết kế theo nhu cầu cụ thể để đáp ứng các yêu cầu về hình dạng và chức năng độc đáo của tòa nhà.
3. Lựa chọn vật liệu
Chất lượng và tính năng của thép ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ, độ bền và độ tin cậy của giàn thép. Khi lựa chọn thép, các yếu tố như cấp độ bền, độ bền, khả năng hàn và khả năng chống ăn mòn cần được xem xét.
Nhìn chung, thép cường độ cao có thể giảm kích thước mặt cắt ngang của giàn và giảm trọng tải của kết cấu, nhưng cần phải kiểm soát quá trình nghiêm ngặt hơn trong quá trình hàn và gia công. Đồng thời, đối với các giàn thép sử dụng trong môi trường khắc nghiệt như gần bờ biển hay các nhà máy hóa chất cũng cần lựa chọn loại thép có khả năng chống ăn mòn tốt hoặc có biện pháp chống ăn mòn.
4. Thiết kế nút
Nút này là một phần quan trọng trong kết cấu giàn thép và tính hợp lý trong thiết kế của nó liên quan trực tiếp đến sự an toàn và ổn định của toàn bộ kết cấu. Thiết kế nút cần xem xét các yếu tố như phương pháp kết nối của thanh, chất lượng của mối hàn và độ bền của kết nối bu lông.
Các phương pháp kết nối nút phổ biến bao gồm hàn, kết nối bắt vít và kết nối chốt. Kết nối hàn có ưu điểm là độ cứng cao và tính toàn vẹn tốt, nhưng có yêu cầu cao đối với quá trình hàn; kết nối bu lông dễ lắp đặt và tháo rời, nhưng độ bền và mô-men xoắn siết chặt của bu lông cần phải được đảm bảo; Kết nối chân cắm phù hợp với các nút chịu tải lớn nhưng yêu cầu độ chính xác xử lý cao.
Trong quá trình thiết kế nút cũng cần xem xét điều kiện ứng suất của nút để tránh tập trung ứng suất nhằm nâng cao khả năng chịu lực và độ tin cậy của nút.
5. Tính khả thi xây dựng
Việc thiết kế giàn thép không chỉ cần xem xét đến sự an toàn và chức năng của kết cấu mà còn phải tính đến tính khả thi của việc xây dựng. Trong giai đoạn thiết kế cần phối hợp chặt chẽ với đơn vị thi công để nắm rõ quy trình thi công và điều kiện thiết bị để đảm bảo việc thiết kế giàn được thi công thuận lợi.
Ví dụ, đối với giàn thép nhịp lớn, có thể cần áp dụng phương pháp thi công sản xuất phân đoạn và lắp ráp tại chỗ, đòi hỏi phải xem xét tính hợp lý của phân đoạn và sự thuận tiện của việc lắp ráp trong quá trình thiết kế. Đồng thời, các biện pháp hỗ trợ, an toàn tạm thời trong quá trình thi công cần được quan tâm để đảm bảo an toàn, tin cậy cho quá trình thi công.
6. Kinh tế
Trên cơ sở đáp ứng các yêu cầu về an toàn kết cấu và chức năng, tính kinh tế cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét khi thiết kế giàn thép. Tính kinh tế của giàn thép có thể được cải thiện bằng cách tối ưu hóa hình thức kết cấu, lựa chọn vật liệu hợp lý và giảm chi phí xây dựng.
Trong quá trình thiết kế, phần mềm thiết kế tiên tiến có thể được sử dụng để tối ưu hóa kết cấu nhằm giảm lượng thép sử dụng; đồng thời, việc lựa chọn phương án, trình tự thi công hợp lý cũng có thể giảm chi phí xây dựng.
Thiết kế giàn thép là một dự án phức tạp và có hệ thống, đòi hỏi phải xem xét toàn diện nhiều yếu tố chính như phân tích tải trọng, lựa chọn dạng kết cấu, lựa chọn vật liệu, thiết kế nút, tính khả thi của việc xây dựng và tính kinh tế. Chỉ trên cơ sở xem xét đầy đủ các yếu tố này mới có thể thiết kế được kết cấu giàn thép an toàn, đáng tin cậy, tiết kiệm và đẹp mắt để hỗ trợ đắc lực cho kiến trúc và xây dựng kỹ thuật hiện đại.
