Các tòa nhà thép được thiết kế sẵn đã được chấp nhận rộng rãi tại các kho hàng, nhà máy và trung tâm hậu cần vì khung được sản xuất trong nhà máy đến hiện trường sẵn sàng để lắp dựng nhanh bằng bulông. Tuy nhiên, quyết định mua thực sự nằm bên trong chính khung: các tiết diện thép nào chịu tải, mác thép nào chống chịu được điều kiện khí hậu, và khẩu độ thông thủy tối đa mà cấu trúc có thể đạt được mà không cần cột nội bộ là bao nhiêu. Hướng dẫn này phân tích chi tiết các lựa chọn về thép cấu trúc xác định một cấu trúc PEB, giúp người lập đặc tả lựa chọn khung phù hợp với yêu cầu vận hành thay vì chấp nhận một gói giải pháp chung chung. Việc đưa ra những lựa chọn đúng ngay từ đầu sẽ kiểm soát cả chi phí lẫn tuổi thọ sử dụng.
Các tiết diện khung thép chính cho cấu trúc PEB
Cột và dầm mái dạng chữ I có cánh rộng
Khung cổng tạo thành khung xương của phần lớn các công trình thép được thiết kế sẵn, và hai thành phần chủ lực của nó là cột và vì kèo. Tiết diện chữ I có cánh rộng đặt phần lớn vật liệu xa trục trung hòa, do đó chống uốn hiệu quả trên nhịp thông thủy dài. Dầm chữ I cán phù hợp với các khung nhỏ hơn, trong khi các nhịp lớn hơn yêu cầu sử dụng các tiết diện ghép hàn có chiều cao bản bụng lớn hơn. Vì kèo thuôn dần làm giảm lượng thép gần mép mái nơi mô-men uốn thấp và giữ lại tiết diện lớn hơn ở khu vực đầu nối (knee) nơi lực đạt cực đại. Những người lập đặc tả nên yêu cầu nhà gia công cung cấp mô-đun tiết diện chứ không chỉ trọng lượng, bởi các khung có cùng trọng lượng nhưng lại có hiệu suất khác nhau dưới tác động của chuyển vị ngang, tải tuyết và tải cầu trục.
Tiết diện ghép hàn so với tiết diện cán
Các thanh định hình cán nóng kinh tế và nhanh chóng đối với các khẩu độ tiêu chuẩn, tuy nhiên khẩu độ thông thủy dài hoặc tải trọng cầu trục nặng thường vượt quá giới hạn chiều cao của chúng. Các cấu kiện ghép (built-up members) cho phép kỹ sư xác định kích thước riêng biệt phần bụng (web) và cánh (flanges), giảm trọng lượng tại những vị trí mô-men nhỏ. Đổi lại, việc hàn tốn nhiều thời gian hơn và yêu cầu quy trình gia công kiểm soát chặt chẽ trong xưởng theo tiêu chuẩn ISO 3834. Một quy tắc thực tiễn là sử dụng các thanh chữ I cán nóng (wide-flange sections) cho các khẩu độ lên tới khoảng 30 m, sau đó chuyển sang dùng vì kèo ghép (rafters) có tiết diện thay đổi (tapered built-up) khi vượt ngưỡng này. Các tòa nhà thép tiền chế (pre engineered steel buildings) hưởng lợi từ phương pháp này vì bộ tối ưu hóa (optimizer) cắt giảm lượng thép chính xác tại những vị trí mà đường truyền tải cho phép, giúp giữ nguyên tính gọn nhẹ của toàn bộ hệ thống mà không làm suy giảm độ bền khung.
Lựa chọn mác thép phù hợp
Tại sao thép Q355B chiếm ưu thế trong các khung nhà thép tiền chế (PEB)
Thép Q355B có độ bền chảy tối thiểu 355 MPa, cao hơn khoảng 40 phần trăm so với thép Q235; do đó, khung kết cấu cần khối lượng nhỏ hơn để chịu cùng tải trọng. Việc giảm khối lượng này giúp hạ chi phí gia công, phủ bề mặt và vận chuyển mà không làm giảm độ an toàn. Trong các tòa nhà kết cấu thép được thiết kế sẵn, việc lựa chọn mác thép cũng ảnh hưởng đến thiết kế các mối nối, bởi vì độ bền cao hơn cho phép bu-lông chịu tải lớn hơn với số hàng bu-lông ít hơn. Thép Q355B đáp ứng các yêu cầu tương đương phổ biến ở châu Âu và phù hợp với hầu hết khí hậu ôn hòa. Ở vùng lạnh, yêu cầu về độ dai va đập theo hướng Z quan trọng hơn giá trị độ bền chảy, dẫn đến các mác thép chịu nhiệt độ thấp được trình bày tiếp theo.
Mác thép theo hướng Z và mác thép chịu nhiệt độ thấp
Thép hướng Z xuyên suốt độ dày như Q355B-Z35 chống lại hiện tượng rách lớp (lamellar tearing) tại các vị trí tấm dày gặp các mối hàn lớn ở chân cột và khuỷu cột. Một dự án kho chứa ngũ cốc tại vùng đông bắc Trung Quốc đã đối mặt đúng với tình huống này: các đoạn cột ngắn lớn được hàn vào bản đế dưới tải trọng luân phiên do cần cẩu gây ra, nên cần sử dụng tấm Z35 để tránh hư hỏng theo lớp. Các cấp thép chịu nhiệt độ thấp như Q355D duy trì độ dai đến âm 20 °C, bảo vệ khung kết cấu trong quá trình lắp dựng và vận hành vào mùa đông. Việc lựa chọn phân cấp cụ thể là một quyết định liên quan đến rủi ro, và giấy chứng nhận nhà máy phải nêu rõ cấp thép chính xác trước khi cắt thép.
Đạt được bố trí nhịp thông
Nhịp thông ảnh hưởng thế nào đến kích thước tiết diện
Một khẩu độ rõ ràng loại bỏ các cột bên trong để xe nâng, giá kệ và máy móc di chuyển không bị cản trở, nhưng vì thế xà gồ phải bắc ngang toàn bộ chiều rộng. Gấp đôi khẩu độ sẽ làm mô-men uốn tăng khoảng bốn lần, do đó chiều cao tiết diện và trọng lượng tăng nhanh. Một khẩu độ rõ ràng 30 m có thể sử dụng xà gồ cao 600 mm, trong khi khẩu độ 50 m đòi hỏi dàn giàn hoặc một cấu kiện ghép phức tạp với chiều cao tiết diện lớn hơn nhiều. Các tòa nhà thép được thiết kế sẵn cần được tối ưu hóa theo từng nhịp thay vì sao chép nguyên bản từ danh mục, bởi mỗi mét khẩu độ thêm vào đều đánh đổi giữa trọng lượng thép và diện tích sàn không bị cản trở.
Các giải pháp dàn giàn và xà gồ thuôn dần cho khẩu độ dài
Vượt quá khoảng 40 m, vì kèo đặc trở nên nặng nề và vì kèo giàn tam giác trở thành giải pháp hiệu quả hơn, nhờ phân bổ vật liệu vào các thanh biên và thanh bụng theo hướng truyền lực. Các vì kèo ghép có độ dốc giảm dần vẫn phổ biến đến khoảng cách 60 m vì chúng duy trì vẻ ngoài nội thất gọn gàng và hệ bao che đơn giản. Các công trình thép được thiết kế sẵn theo cách này giúp kiểm soát chi phí bao che, bởi cả hai giải pháp đều giữ được nhịp mở rộng. Quyết định về nhịp thông thủy cũng ảnh hưởng đến kích thước móng, do phản lực tại mép mái tăng theo chiều dài nhịp. Việc phối hợp sớm giữa kỹ sư kết cấu và nhà cung cấp hệ bao che giúp tránh tình trạng khung không tương thích với bất kỳ hệ tấm tiêu chuẩn nào về mặt kinh tế.
Các mối nối, lớp phủ và kiểm tra mua sắm
Mối nối bulông và chống ăn mòn
Việc siết bu-lông tại hiện trường bằng bu-lông ma sát cường độ cao cấp 10.9S giúp việc lắp dựng trở nên đơn giản và có thể tháo dỡ được, điều này đặc biệt quan trọng khi một gói nhà thép tiền chế được vận chuyển xuyên đại dương và phải đến nơi đúng tiến độ chật hẹp. Lựa chọn lớp phủ phụ thuộc vào điều kiện môi trường: mạ kẽm nhúng nóng bảo vệ các khu vực ven biển và ẩm ướt, trong khi lớp phủ vảy thủy tinh chống lại các vùng chịu tác động của hóa chất và bắn tung tóe. Chi tiết mối nối cần đảm bảo bu-lông dễ tiếp cận và bảo vệ các bề mặt tiếp xúc, bởi vì một mối nối thường thất bại do bị bỏ bê trước khi bản thân cấu kiện gặp sự cố. Các lớp thực hiện theo tiêu chuẩn EN 1090 quy định cách thức chuẩn bị, kiểm tra và lập hồ sơ cho những mối nối này tại xưởng.
Điều cần kiểm tra trước khi đặt hàng
Trước khi phát hành đơn đặt hàng, yêu cầu chứng chỉ nhà máy nêu rõ đúng mác thép, bản vẽ xưởng có kích thước tiết diện và lịch trình liên kết. Xác nhận nhà gia công có chứng nhận ISO 9001 và EN 1090, đồng thời hỏi cách thức kiểm chứng việc cắt CNC và hàn robot. Một kiểm tra hữu ích là so sánh khối lượng thép được báo giá với ước tính độc lập dựa trên nhịp thông thủy và tổ hợp tải, từ đó phát hiện cả tình trạng thiết kế thiếu an toàn lẫn tình trạng kê khống khối lượng. Những người lập đặc tả kiểm tra kỹ các yếu tố này sẽ nhận được khung kết cấu đúng theo yêu cầu, giao đầy đủ và lắp dựng được ngay tại hiện trường mà không phát sinh chi phí phát sinh tốn kém.
Việc lựa chọn khung cho các tòa nhà thép tiền chế ít phụ thuộc vào thương hiệu hơn là việc phù hợp giữa tiết diện, mác thép và nhịp với yêu cầu thực tế. Thép mác Q355B, mục tiêu nhịp thông thủy hợp lý và các liên kết bulông được kiểm chứng sẽ biến một vỏ bọc chung chung thành một kết cấu bền vững trong nhiều thập kỷ. Con đường nhanh nhất để đặt hàng một cách tự tin là có bản đặc tả được ghi chép đầy đủ và chọn nhà gia công có chứng chỉ khớp chính xác với bản vẽ.
Các câu hỏi thường gặp
Câu hỏi
Loại thép nào thường được dùng cho khung nhà PEB?
Đáp án: Thép Q355B là lựa chọn phổ biến cho khung nhà PEB vì giới hạn chảy 355 MPa của nó giúp kết cấu chịu tải với khối lượng nhỏ hơn so với thép Q235. Ở vùng lạnh, có thể cần dùng thép Q355D để đảm bảo độ dai ở nhiệt độ thấp, trong khi các mối hàn dày yêu cầu thép Q355B-Z35 nhằm chống nứt lớp (lamellar tearing). Cấp thép được ghi rõ trên giấy chứng nhận nhà máy và phải khớp với bản vẽ thi công. Việc chọn đúng phân loại con (subclass) giúp kiểm soát cả độ an toàn lẫn chi phí mà không cần thay đổi bố trí khung.
Câu hỏi
Chiều rộng nhịp thông thủy tối đa thực tế mà không cần cột giữa là bao nhiêu?
Đáp án: Một nhịp thông thủy đơn lên tới khoảng 30 m hoạt động tốt với các tiết diện cán nóng; nhịp từ 30 đến 60 m thường yêu cầu vì kèo chế tạo ghép (built-up) dạng thuôn hoặc giàn mái (roof truss); còn vượt quá 60 m thì khung trở nên nặng nề và giàn mái trở thành phương án hiệu quả hơn. Giới hạn thực tế phụ thuộc vào tải trọng, tuyết và việc sử dụng cầu trục, do đó nhịp cần được tối ưu hóa theo từng ô (bay). Nhịp rộng hơn đánh đổi khối lượng thép lấy giá trị của không gian sàn không bị cản trở.
Câu hỏi
Tại sao người ta ưa dùng liên kết bulông hơn hàn tại hiện trường?
Đáp án: Việc lắp bulông tại hiện trường bằng bulông ma sát cường độ cao cấp 10.9S giúp quá trình lắp dựng diễn ra nhanh, có thể tháo rời và không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết — điều này phù hợp với các gói hàng vận chuyển đường dài. Hàn tại hiện trường đòi hỏi thợ lành nghề, kiểm tra chất lượng và điều kiện khô ráo, vốn khó đảm bảo khi thi công ngoài trời. Các mối nối bulông cũng giúp việc di dời hoặc mở rộng công trình về sau trở nên đơn giản hơn. Các lớp thực hiện theo tiêu chuẩn EN 1090 quy định cách thức chuẩn bị và xác minh những liên kết này, từ đó tạo ra một quy trình kiểm soát chất lượng được ghi chép đầy đủ, bắt đầu từ xưởng sản xuất cho đến móng công trình.
Câu hỏi
Khi nào cần chỉ định sử dụng thép có tính chất hướng Z?
Đáp án: Thép định hướng Z như Q355B-Z35 cần được chỉ định ở mọi vị trí tấm dày gặp mối hàn chịu tải trọng thay đổi hoặc tải trọng xuyên qua độ dày, thường tại chân cột và các góc khung. Loại thép này chống lại hiện tượng nứt lớp (lamellar tearing) mà thép tấm thông thường có thể gặp phải khi co ngót kéo theo phương vuông góc với mặt phẳng cán. Các kho chứa ngũ cốc và nhà máy có cầu trục là những trường hợp điển hình. Chứng chỉ phải ghi rõ hậu tố Z35; nếu thiếu hậu tố này, độ bền của mối nối sẽ phụ thuộc vào yếu tố ngẫu nhiên thay vì khả năng dẻo dai xuyên qua độ dày đã được kiểm chứng.
Câu hỏi
Tài liệu nào xác nhận chất lượng thép trước khi giao hàng?
Đáp án: Trước khi giao hàng, giấy chứng nhận nhà máy, bản vẽ thi công và lịch trình nối kết xác nhận chất lượng thép cho các tòa nhà khung thép tiền chế. Các chứng chỉ ISO 9001 và EN 1090 thể hiện việc kiểm soát quy trình của nhà gia công, trong khi hồ sơ máy CNC và hồ sơ hàn xác minh việc thực hiện. Một ước tính độc lập về khối lượng (tấn) dựa trên nhịp và trường hợp tải sẽ làm rõ tình trạng thiết kế thiếu hoặc thiết kế dư thừa. Các tài liệu này phải đi kèm lô hàng để đội thi công tại hiện trường có thể kiểm tra cấp độ vật liệu ngay khi nhận hàng và từ chối những vật liệu không đúng quy cách trước khi bắt đầu lắp dựng.
EN
