Khung thép là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về khung thép

Khung thép là một hệ kết cấu chịu lực chủ yếu bằng vật liệu thép, được tổ hợp từ các cấu kiện cơ bản như cột, dầm, giằng và liên kết. Đây là dạng kết cấu được sử dụng rộng rãi trong xây dựng hiện đại nhờ vào đặc tính cơ học ưu việt của thép như độ bền kéo cao, trọng lượng nhẹ và khả năng lắp dựng nhanh chóng.

Thép dùng trong kết cấu khung thường là thép carbon cán nóng với giới hạn chảy từ 235 MPa đến 460 MPa. Vật liệu này không chỉ chịu được tải trọng lớn mà còn có khả năng làm việc đàn hồi tốt, giúp khung thép duy trì hình dạng ban đầu dưới tải trọng thông thường.

Khung thép có thể áp dụng cho nhiều loại công trình khác nhau:

• Nhà công nghiệp như nhà xưởng, kho hàng, trung tâm logistics
• Công trình dân dụng như nhà thép tiền chế, nhà cao tầng, nhà ở
• Công trình đặc biệt như cầu thép, nhà thi đấu, sân vận động

Các đặc tính nổi bật của hệ khung thép còn bao gồm khả năng chống rung tốt, dễ kiểm tra chất lượng và bảo trì trong suốt vòng đời sử dụng. Khi kết hợp với mô hình BIM, khung thép cho phép thiết kế chính xác và đồng bộ từ giai đoạn tiền thi công đến hoàn công.

Các thành phần cơ bản của khung thép

Một hệ khung thép tiêu chuẩn được cấu thành từ nhiều loại cấu kiện có chức năng chịu lực và ổn định khác nhau. Mỗi cấu kiện đóng vai trò nhất định trong việc phân phối nội lực và duy trì tính toàn vẹn của công trình.

Cột thép: Cột là bộ phận chịu tải trọng đứng từ mái, sàn và truyền lực xuống nền móng. Thường dùng các tiết diện chữ H, hộp vuông hoặc ống tròn. Chiều cao cột có thể lên đến 30 mét hoặc hơn trong các nhà công nghiệp có cầu trục.

Dầm thép: Là cấu kiện nằm ngang, chịu tải trọng phân bố từ mái hoặc sàn, sau đó truyền xuống cột. Có thể là dầm chính hoặc dầm phụ, thường sử dụng tiết diện I hoặc hộp. Dầm thép được tính toán để tránh võng quá mức dưới tải trọng tiêu chuẩn.

Giằng: Giằng có vai trò ổn định hệ khung, chống xoắn, và giữ khoảng cách giữa các cấu kiện. Có nhiều loại giằng như giằng mái, giằng cột, giằng chéo hoặc giằng liên kết giữa các khung.

Liên kết: Các cấu kiện khung được liên kết thông qua bu lông hoặc mối hàn. Có hai dạng liên kết chính là:

• Liên kết khớp: Cho phép cấu kiện quay quanh nút liên kết
• Liên kết cứng: Không cho phép chuyển vị tương đối giữa các cấu kiện tại nút

Dưới đây là bảng tổng hợp vai trò và ví dụ ứng dụng của các cấu kiện chính:

Phân loại khung thép

Khung thép có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng, hình thức kết cấu hoặc cách thức liên kết giữa các cấu kiện. Việc phân loại này giúp định hình hướng thiết kế và tổ chức thi công hiệu quả.

Theo hình thức kết cấu:

• Khung phẳng: Các cấu kiện nằm trong một mặt phẳng. Dùng cho nhà công nghiệp đơn giản.
• Khung không gian: Các cấu kiện bố trí trong không gian ba chiều. Áp dụng cho kết cấu phức tạp như mái vòm, nhà thi đấu.

Theo loại công trình:

• Khung nhà công nghiệp: Kết cấu đơn nhịp hoặc đa nhịp, không gian lớn.
• Khung nhà cao tầng: Có hệ dầm – cột dày đặc, yêu cầu khả năng chịu tải và ổn định cao.
• Khung cầu: Dạng dàn thép hoặc dầm thép liên hợp bê tông.

Theo loại liên kết:

1. Khung liên kết khớp: Dễ thi công, ít chịu mô men tại liên kết, nhưng độ ổn định thấp hơn.
2. Khung liên kết cứng: Tạo thành hệ thống chịu mô men, tăng độ ổn định tổng thể.

Ưu điểm và nhược điểm của khung thép

Khung thép có nhiều đặc điểm kỹ thuật nổi bật khiến nó được ưu tiên trong các dự án yêu cầu tốc độ, linh hoạt và độ chính xác cao. Tuy nhiên, như bất kỳ giải pháp kết cấu nào, khung thép cũng tồn tại một số hạn chế nhất định.

Ưu điểm:

• Trọng lượng nhẹ hơn nhiều so với kết cấu bê tông cốt thép cùng khả năng chịu lực, giúp giảm chi phí nền móng.
• Thời gian thi công nhanh do có thể tiền chế tại xưởng và lắp ghép tại hiện trường.
• Dễ mở rộng, thay đổi công năng công trình hoặc tháo dỡ và tái sử dụng kết cấu.
• Thân thiện môi trường khi kết hợp thép tái chế, ít phát sinh phế thải xây dựng.

Nhược điểm:

• Thép dễ bị ăn mòn trong môi trường ẩm ướt, nước biển hoặc công trình hóa chất nếu không có lớp bảo vệ.
• Khả năng chịu lửa kém, mất cơ tính ở nhiệt độ cao, cần dùng sơn chống cháy hoặc bao bọc bằng vật liệu không cháy.
• Chi phí đầu tư ban đầu có thể cao hơn so với bê tông nếu không tối ưu hóa thiết kế và sản xuất.

Việc đánh giá toàn diện giữa chi phí – lợi ích – độ bền là cơ sở để quyết định lựa chọn khung thép cho từng loại công trình cụ thể.

Ứng dụng của khung thép trong xây dựng hiện đại

Khung thép đã trở thành lựa chọn kết cấu chủ đạo trong nhiều loại công trình hiện đại nhờ khả năng thích ứng linh hoạt và hiệu quả kinh tế vượt trội. Sự phát triển của công nghệ sản xuất và mô hình hóa số đã giúp khung thép thâm nhập sâu vào hầu hết các lĩnh vực xây dựng quy mô lớn.

Khung thép trong công trình công nghiệp: Đây là lĩnh vực phổ biến nhất của kết cấu khung thép. Các nhà máy, kho bãi, xưởng sản xuất thường sử dụng hệ khung một nhịp hoặc đa nhịp, mái dốc, có cầu trục chạy bên trong.

• Chiều cao thường từ 6m – 15m
• Nhịp vượt từ 12m – 40m
• Có thể sử dụng cột biên bằng bê tông và cột giữa bằng thép để tối ưu chi phí

Khung thép trong công trình dân dụng: Các tòa nhà văn phòng, trung tâm thương mại và nhà ở cao tầng sử dụng khung thép để giảm tải trọng và tăng diện tích sử dụng. Kết cấu này thường kết hợp dầm sàn thép liên hợp với sàn bê tông đổ tại chỗ.

Khung thép trong công trình đặc biệt: Các sân vận động, nhà thi đấu, nhà ga, cầu vượt… sử dụng khung thép do yêu cầu vượt nhịp lớn và tạo hình kiến trúc phức tạp. Nhờ khả năng chịu lực vượt trội và khả năng uốn cong cấu kiện, khung thép giúp hiện thực hóa các ý tưởng kiến trúc không thể thi công bằng bê tông truyền thống.

Dưới đây là một số nền tảng phần mềm hỗ trợ thiết kế ứng dụng khung thép:

• Bentley STAAD.Pro – Phân tích khung 3D, tối ưu tiết diện
• Autodesk Revit – Mô hình hóa thông tin công trình (BIM)
• Tekla Structures – Mô hình kết cấu thép chi tiết đến từng bu lông

Thiết kế và phân tích khung thép

Thiết kế khung thép là quá trình tính toán và bố trí cấu kiện nhằm đảm bảo khả năng chịu lực, ổn định, và hiệu quả kinh tế. Công tác này tuân theo các tiêu chuẩn kỹ thuật cụ thể như AISC (Hoa Kỳ), Eurocode 3 (Châu Âu) hoặc TCVN 5575:2012 (Việt Nam).

Quy trình thiết kế khung thép thường gồm các bước sau:

1. Xác định tải trọng: tải trọng chết, hoạt tải, tải trọng gió, động đất
2. Phân tích nội lực: sử dụng phần mềm mô phỏng để xác định mô men, lực cắt, lực nén
3. Chọn tiết diện: đảm bảo cấu kiện đủ khả năng chịu tải và ổn định
4. Kiểm tra liên kết: mối hàn, bu lông, bản mã phải đảm bảo truyền nội lực

Một số công thức cơ bản sử dụng trong thiết kế dầm thép:

Mô men lớn nhất trong dầm chịu tải phân bố đều:

$M_{max} = \frac{wL^2}{8}$

Trong đó $w$ là tải trọng phân bố đều (kN/m), $L$ là chiều dài nhịp (m).

Kiểm tra ứng suất uốn trong dầm:

$\sigma = \frac{M}{W}$

Với $M$ là mô men uốn (kNm), $W$ là mô men kháng uốn (cm³).

Khả năng chịu lực của khung thép

Khung thép có khả năng chịu lực tốt do thép có giới hạn chảy và độ bền kéo cao. Trong các thiết kế hiện đại, khả năng chịu lực được khai thác tối đa nhờ vào hình dạng tiết diện hợp lý và bố trí không gian tối ưu.

Khung thép truyền tải thông qua hệ thanh chịu nén và chịu kéo, thường được mô hình hóa như hệ dầm-cột hoặc hệ dàn. Nội lực được phân bố lại giữa các cấu kiện thông qua liên kết tại các nút.

Ví dụ một hệ khung chữ portal gồm hai cột và một dầm liên kết cứng, chịu tải trọng mái dạng tam giác hoặc phân bố đều. Các phản lực tại móng được xác định bằng phương pháp phân tích tĩnh học hoặc phần tử hữu hạn.

Khả năng chịu tải có thể cải thiện đáng kể bằng cách:

• Sử dụng tiết diện tổ hợp (welded built-up sections)
• Thêm hệ giằng để hạn chế biến dạng ngang
• Thiết kế khung có liên kết cứng để tận dụng khả năng truyền mô men

Tiêu chuẩn và quy chuẩn áp dụng

Để đảm bảo tính an toàn và thống nhất trong thiết kế khung thép, các kỹ sư bắt buộc phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia hoặc quốc tế. Một số tiêu chuẩn phổ biến gồm:

• AISC 360-22: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép Hoa Kỳ, phổ biến trong thiết kế nhà thép tiền chế và nhà cao tầng.
• Eurocode 3 (EN 1993): Tiêu chuẩn Châu Âu cho thiết kế kết cấu thép, có hệ số tải và vật liệu chi tiết.
• TCVN 5575:2012: Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép Việt Nam, phù hợp với điều kiện khí hậu và vật liệu trong nước.

Tiêu chuẩn cũng quy định về vật liệu, cách tính toán tải trọng, kiểm tra ổn định và giới hạn biến dạng. Việc tuân thủ quy chuẩn là bắt buộc trong thiết kế và kiểm định công trình.

Bảo trì và tuổi thọ công trình khung thép

Khung thép có tuổi thọ thiết kế từ 50 đến 100 năm tùy theo môi trường sử dụng, biện pháp bảo vệ và cường độ làm việc. Tuy nhiên, để đạt được tuổi thọ này, công trình phải được bảo trì định kỳ và đúng phương pháp.

Các công việc bảo trì chính bao gồm:

• Kiểm tra lớp sơn chống ăn mòn và chống cháy định kỳ mỗi 3-5 năm
• Kiểm tra mối hàn, bu lông, các bản mã tại các nút liên kết
• Vệ sinh, loại bỏ gỉ sét, thay thế các bộ phận hư hỏng

Trong môi trường đặc biệt như nhà máy hóa chất, trạm xử lý nước thải hoặc gần biển, khung thép phải được xử lý bằng mạ kẽm nhúng nóng hoặc sơn epoxy nhiều lớp để tránh oxy hóa.

Quản lý bảo trì có thể kết hợp công nghệ IoT hoặc QR Code để kiểm tra hiện trạng từng cấu kiện bằng phần mềm giám sát kết cấu.

Xu hướng phát triển công nghệ khung thép

Các xu hướng mới trong công nghệ khung thép đang mở ra nhiều cơ hội cho ngành xây dựng. Sự kết hợp giữa phần mềm, vật liệu mới và kỹ thuật sản xuất hiện đại giúp khung thép ngày càng linh hoạt và bền vững.

• Thép cường độ cao: Giúp giảm kích thước cấu kiện mà vẫn đảm bảo chịu lực.
• In 3D kim loại: Ứng dụng để tạo các nút liên kết phức tạp hoặc kết cấu dạng hữu cơ.
• BIM và công nghệ số: Giúp quản lý toàn bộ vòng đời công trình từ thiết kế, thi công đến bảo trì.

Khung thép cũng đóng vai trò quan trọng trong xây dựng bền vững (green building) nhờ khả năng tái chế cao, ít tiêu hao tài nguyên thiên nhiên và khả năng tái sử dụng khi tháo dỡ.

Tài liệu tham khảo

1. American Institute of Steel Construction (AISC)
2. EU Eurocodes – Structural Design
3. ScienceDirect – Steel Frame Topics
4. Design of Steel Structures – ResearchGate
5. Bentley – Structural Analysis Software
6. Autodesk Revit – BIM for Structural Engineers
7. TCVN 5575:2012 – Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế (Bộ Xây dựng Việt Nam)