Tải trọng và tổ hợp tải trọng khi thiết kế nhà xưởng thép

Phần lớn sự cố kết cấu mà chúng tôi được mời đến kiểm tra không đến từ sai sót tính toán, mà đến từ một tải trọng bị bỏ quên: đường ống treo lắp thêm, lớp mái được thay bằng loại nặng hơn, hay cầu trục được nâng tải sau vài năm vận hành. Vì vậy bước kê tải trọng quan trọng không kém bước giải nội lực.

Kê đủ danh mục tải trọng

Tĩnh tải

• Trọng lượng bản thân kết cấu (phần mềm tự tính, nhưng nên nhân hệ số dự phòng cho bản mã, liên kết và mối hàn).
• Tôn mái, xà gồ, lớp cách nhiệt, trần.
• Hệ thống kỹ thuật treo dưới kèo: ống gió, máng cáp, đường ống chữa cháy, chiếu sáng.
• Vách bao che, cửa, tấm lấy sáng.

Với hệ thống kỹ thuật, nên quy đổi thành tải phân bố dự phòng trên toàn mái ngay từ đầu (ví dụ 0,15–0,30 kN/m² tùy mức độ thiết bị), thay vì chờ bản vẽ cơ điện hoàn chỉnh – vì bản vẽ đó gần như luôn đến sau bản vẽ kết cấu.

Hoạt tải mái

Hoạt tải sửa chữa mái lấy theo tiêu chuẩn tải trọng hiện hành (TCVN 2737 – Tải trọng và tác động). Cần phân biệt hoạt tải phân bố và tải tập trung do người cùng dụng cụ đứng trên xà gồ – trường hợp tải tập trung thường chi phối tiết diện xà gồ hơn là tải phân bố.

Tải trọng gió

Gió là tải chi phối với nhà xưởng nhẹ, khẩu độ lớn. Ba điểm hay bị làm sơ sài:

• Áp lực trong nhà: nhà xưởng có cửa lớn thường xuyên mở phải xét trường hợp áp suất dương và âm bên trong. Bỏ qua bước này là lý do phổ biến khiến tôn mái và liên kết xà gồ bị bung khi có gió mạnh.
• Vùng góc và mép mái: hệ số khí động tại góc mái, mép hồi lớn hơn nhiều so với vùng giữa; xà gồ và vít bắt tôn ở các vùng này cần bố trí dày hơn.
• Lực bốc: với mái nhẹ, tổ hợp gió bốc trừ tĩnh tải có thể gây nhổ bu lông neo – cần kiểm tra riêng, không gộp chung với tổ hợp trọng lực.

Tải trọng cầu trục

Cầu trục sinh ra nhiều thành phần cùng lúc:

• Áp lực bánh xe thẳng đứng lớn nhất và nhỏ nhất, xét cả hai phía ray;
• Lực hãm dọc theo phương ray và lực hãm ngang do xe con di chuyển;
• Hệ số động theo chế độ làm việc của cầu trục.

Dầm cầu trục còn phải kiểm tra mỏi nếu chế độ làm việc nặng, và kiểm tra độ võng chặt hơn nhiều so với dầm mái – thường ở mức L/600 trở lên tùy chế độ, vì võng quá lớn khiến xe cầu bị leo dốc và mòn ray nhanh.

Tải trọng đặc biệt

Động đất theo vùng xây dựng công trình; tải do thiết bị rung đặt trên sàn thao tác; tải va chạm xe nâng vào cột (nên có thép bảo vệ chân cột thay vì thiết kế cột chịu va chạm); tải lắp dựng tạm thời trong giai đoạn thi công.

Lập tổ hợp tải trọng

Nguyên tắc: mỗi cấu kiện có một tổ hợp bất lợi riêng, và tổ hợp bất lợi cho cột không nhất thiết bất lợi cho móng.

1. Tổ hợp trọng lực: tĩnh tải + hoạt tải mái + cầu trục – chi phối tiết diện kèo, vai cột.
2. Tổ hợp gió ngang: tĩnh tải + gió + cầu trục ở vị trí bất lợi – chi phối chuyển vị ngang đỉnh cột và hệ giằng.
3. Tổ hợp gió bốc: tĩnh tải tối thiểu + gió bốc – chi phối bu lông neo, liên kết xà gồ, liên kết tôn.
4. Tổ hợp trạng thái sử dụng: dùng tải tiêu chuẩn (không nhân hệ số) để kiểm tra độ võng và chuyển vị.

Các giá trị giới hạn thường dùng trong thực tế: độ võng dầm mái khoảng L/200–L/250, xà gồ L/150–L/200 với tải gió, chuyển vị ngang đỉnh cột nhà có cầu trục khoảng H/400. Đây là mức tham chiếu phổ biến; trị số ràng buộc cuối cùng phải lấy theo tiêu chuẩn áp dụng cho dự án và yêu cầu của nhà cung cấp cầu trục.

Ba thói quen giúp hồ sơ tính toán không hụt về sau

• Ghi rõ giả thiết tải trọng ngay trên bản vẽ. Một dòng ghi chú "tải treo dưới kèo tối đa 0,25 kN/m²" giúp đội bảo trì năm năm sau biết giới hạn trước khi treo thêm đường ống.
• Dự phòng có kiểm soát. Dự phòng 10–15% cho tải kỹ thuật là hợp lý; dự phòng tùy hứng cho mọi thứ chỉ làm đội giá mà vẫn không an toàn hơn ở đúng chỗ cần.
• Kiểm tra chéo bằng tính tay. Mô hình phần tử hữu hạn sai một điều kiện biên vẫn cho kết quả nhìn rất hợp lý. Một phép tính tay mô men giữa nhịp và phản lực gối mất mười phút nhưng phát hiện được sai số cấp một.

Kết luận

Thiết kế kết cấu an toàn bắt đầu từ danh mục tải trọng đầy đủ và các tổ hợp phản ánh đúng cách công trình được sử dụng – kể cả những thay đổi dự kiến trong tương lai. Phần còn lại là công việc kỹ thuật thuần túy mà phần mềm có thể hỗ trợ.

Lưu ý: các tiêu chuẩn Việt Nam về tải trọng và thiết kế kết cấu thép được cập nhật theo thời gian, hãy đối chiếu phiên bản hiện hành tại thời điểm triển khai dự án.