Lực tác động lên hệ khung kèo thép: Gió và rung chấn

Rate this post

Trong các công trình dân dụng và công nghiệp hiện đại, khung kèo thép ngày càng đóng vai trò quan trọng bởi tính bền vững, khả năng thi công nhanh và tối ưu chi phí. Tuy nhiên, việc thiết kế hệ khung kèo thép không chỉ đơn giản là chọn vật liệu và lắp ráp theo bản vẽ. Một yếu tố cốt lõi quyết định tuổi thọ và độ an toàn của công trình chính là phân tích lực tác động lên hệ khung kèo thép, đặc biệt dưới các ảnh hưởng động lực học như gió và rung chấn.

Vậy gió và rung chấn ảnh hưởng đến hệ khung kèo thép như thế nào? Làm sao để tính toán chính xác và có các giải pháp phòng ngừa? Bài viết dưới đây sẽ phân tích toàn diện dưới góc nhìn kỹ thuật và thực tiễn.

Hệ khung kèo thép là gì?

Khung kèo thép là hệ kết cấu dùng để nâng đỡ mái của công trình, được tạo nên từ các thanh thép tổ hợp như xà gồ, thanh giằng, cột, kèo, bản mã và bu lông liên kết. Với ưu điểm nhẹ nhưng cứng, khung kèo thép có thể chịu được tải trọng lớn và phù hợp cho nhiều loại mái như mái tôn, mái ngói, mái kính…

Đặc biệt trong xu hướng xây dựng xanh, hiện đại, khung kèo thép ngày càng được sử dụng phổ biến trong:

Nhà xưởng công nghiệp
Nhà ở dân dụng
Nhà hàng – resort
Trường học, trạm y tế
Các công trình lắp ghép

Lực tác động lên hệ khung kèo thép là gì?

Lực tác động lên hệ khung kèo thép là tập hợp các tải trọng có ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến hệ kết cấu trong suốt vòng đời công trình. Bao gồm:

Tải trọng tĩnh: Trọng lượng bản thân khung kèo, vật liệu lợp mái (ngói, tôn, kính…), hệ phụ trợ như cách nhiệt, chống thấm.
Tải trọng động: Gió, rung chấn (địa chấn, rung do máy móc, xe cộ), tải trọng do người di chuyển, tác động môi trường (giãn nở nhiệt, độ ẩm…).

Trong đó, hai loại lực gió và rung chấn là khó kiểm soát và có khả năng gây hư hại lớn nếu không được tính toán từ đầu.

>>> Bạn đang muốn theo nghề xây dựng? Khám phá ngay làm thợ thi công khung kèo có cần bằng cấp hay không để hiểu rõ lộ trình, yêu cầu và cơ hội nghề nghiệp trong lĩnh vực này!

Phân tích tác động của gió lên hệ khung kèo thép

Gió là một loại tải trọng động đặc biệt

Gió không chỉ đơn giản là luồng không khí chuyển động. Ở cấp độ thiết kế kết cấu, gió được xem là tải trọng động có tần số, hướng và vận tốc biến đổi liên tục theo thời gian. Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm:

Tốc độ gió trung bình vùng xây dựng
Chiều cao công trình
Hình dáng mái (mái dốc, mái bằng, mái vòm)
Vật cản xung quanh (nhà cao tầng, đồi núi, rừng…)

Lực gió tác động như thế nào?

Áp lực gió lên mái: Gió thổi tạo ra lực nâng (uplift) khiến mái có xu hướng bị kéo bật lên, đặc biệt là phần mép mái.
Tải gió ngang: Tạo ra moment xoắn, rung lắc cho toàn bộ hệ khung.
Hiệu ứng rung cộng hưởng: Khi tần số gió gần bằng tần số dao động tự nhiên của hệ khung, có thể gây biến dạng vượt giới hạn an toàn.

Cách tính lực gió theo tiêu chuẩn

Tại Việt Nam, việc tính toán tải trọng gió tuân theo tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 hoặc theo chuẩn quốc tế ASCE 7 (cho công trình lớn). Công thức cơ bản:

P = 0.613 × V² × Ce × Cg × Cp
Trong đó:

P: Áp lực gió (kN/m²)

V: Tốc độ gió (m/s)

Ce, Cg, Cp: Các hệ số hiệu chỉnh theo chiều cao, hình dạng mái, môi trường

Phân tích tác động của rung chấn lên hệ khung kèo thép

Nguồn rung chấn trong xây dựng

Rung chấn có thể xuất phát từ:

Động đất (địa chấn) – Hiếm nhưng nguy hiểm, đặc biệt ở khu vực miền Bắc, miền Trung Việt Nam
Máy móc công nghiệp rung lắc – Như động cơ lớn, máy nén, búa rung
Xe tải, container di chuyển gần công trình
Hoạt động thi công lân cận – Như đóng cọc, phá dỡ

Cách lực rung chấn ảnh hưởng

Gây dao động cưỡng bức cho khung kèo
Làm lỏng các mối nối bu lông
Gây mỏi kim loại theo chu kỳ (fatigue)
Ảnh hưởng tới độ chính xác lắp ghép mái

Tính toán rung chấn

Phân tích rung chấn thường cần đến mô phỏng động lực học (dynamic analysis) và sử dụng các phần mềm như SAP2000, ETABS, STAAD.Pro… Đối với công trình quy mô vừa và nhỏ, cần đảm bảo:

Tần số dao động của khung không trùng với nguồn rung lặp lại
Các liên kết có đệm giảm chấn, tăng độ dẻo đàn hồi
Dùng kết cấu giằng chéo, thanh chống nghiêng để triệt tiêu lực xoắn

Những hệ quả khi bỏ qua phân tích lực tác động

Việc xem nhẹ lực tác động lên hệ khung kèo thép thường dẫn đến:

Mái bị tốc, bay khi mưa bão (nhất là mái ngói)
Khung thép bị cong vênh, mất ổn định
Bu lông lỏng lẻo, xà gồ gãy đứt
Tăng chi phí bảo trì, sửa chữa
Nguy cơ sập mái – tai nạn nghiêm trọng

Giải pháp thiết kế khung kèo thép chống gió và rung chấn

Tăng độ ổn định hình học

Dùng giằng ngang, giằng chéo ở mái và thân
Thiết kế kèo hình tam giác, tổ hợp dạng Pratt, Howe hoặc Warren
Giảm độ cao khung kèo, tránh hiện tượng cộng hưởng

Chọn vật liệu và liên kết phù hợp

Dùng thép cường độ cao, có khả năng chịu uốn tốt
Sử dụng bu lông có lớp chống trượt, tăng ma sát
Bố trí bản mã dày, có cường độ hàn đủ lớn

Thi công và lắp đặt chính xác

Đảm bảo dựng khung đúng trục thiết kế
Siết bu lông bằng máy chuyên dụng với lực siết tiêu chuẩn
Có kiểm tra rung thử nếu công trình có yếu tố động lực cao

Trường hợp thực tế và bài học đi kèm

Công trình nhà xưởng tại Bình Dương năm 2022 bị tốc mái toàn bộ sau cơn bão số 2. Nguyên nhân: không có giằng mái, sử dụng bu lông thường, mái ngói lợp trực tiếp lên xà gồ mà không có lớp liên kết trung gian. Hậu quả: thiệt hại gần 500 triệu đồng, phải tháo dỡ khung cũ, làm lại hoàn toàn.

Bài học: Dù chi phí đầu tư ban đầu có tăng lên đôi chút, nhưng thiết kế đúng chuẩn giúp tiết kiệm gấp 5–10 lần chi phí sửa chữa sau này.

Kết luận

Lực gió và rung chấn là hai yếu tố không thể bỏ qua trong thiết kế hệ khung kèo thép, đặc biệt với xu hướng thi công nhanh – lắp ghép tại chỗ như hiện nay. Việc tính toán lực tác động lên hệ khung kèo thép một cách khoa học và chi tiết sẽ đảm bảo công trình không chỉ bền bỉ theo thời gian mà còn an toàn, tiết kiệm chi phí bảo trì.

Nếu bạn đang cân nhắc lợp mái ngói khung kèo thép, hãy tìm hiểu thật kỹ về lực tác động lên hệ khung kèo thép để có nền tảng vững chắc cho quá trình thiết kế, thi công.