Trong xây dựng nhà xưởng công nghiệp, các cấu kiện chịu uốn như dầm thường phải gánh chịu tải trọng lớn. Hiện tượng chuyển vị dầm chịu uốn (độ võng của dầm) xảy ra khi dầm bị biến dạng dưới tác dụng của tải trọng, gây ra sự dịch chuyển thẳng đứng của dầm so với vị trí ban đầu. Đây là một chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng trong thiết kế xây dựng, đặc biệt đối với thiết kế nhà xưởng khung thép có khẩu độ lớn.
Kiểm soát chuyển vị của dầm có ý nghĩa sống còn nhằm đảm bảo công trình ổn định và sử dụng bình thường. Nếu độ võng vượt quá giới hạn cho phép, nó có thể ảnh hưởng đến an toàn kết cấu, thiết bị máy móc trong xưởng và cả tâm lý người sử dụng. Bài viết này, BIC sẽ trình bày chi tiết về khái niệm, công thức tính toán chuyển vị dầm chịu uốn, đồng thời thảo luận các ứng dụng thực tiễn trong xây dựng nhà xưởng (kết cấu khung thép, lựa chọn dầm, tối ưu thiết kế) để giúp chủ đầu tư và kỹ sư xây dựng hiểu rõ và áp dụng hiệu quả.
Chuyển vị của dầm chịu uốn là sự biến dạng (uốn cong) của dầm dưới tác dụng của tải trọng, dẫn đến dầm bị võng xuống một khoảng nhất định. Khoảng võng thẳng đứng này thường được gọi là độ võng của dầm. Chẳng hạn, nếu một điểm K trên dầm di chuyển xuống vị trí K’ khi dầm bị uốn, khoảng cách thẳng đứng giữa K và K’ chính là chuyển vị đứng (độ võng). Ngược lại, chuyển vị ngang là sự dịch chuyển song song với trục dầm (thường xảy ra ở cột hoặc dầm chịu tải ngang).
Độ võng là thước đo độ cứng của dầm, dầm càng cứng thì chuyển vị dưới tải càng nhỏ. Trong thiết kế xây dựng kết cấu, người kỹ sư phải đảm bảo độ cứng đủ lớn để chuyển vị không vượt quá giới hạn cho phép nhằm tránh nứt vỡ kết cấu hoàn thiện, ảnh hưởng thiết bị hay gây mất thẩm mỹ. Đặc biệt ở nhà xưởng công nghiệp, nơi nhịp dầm thường dài, việc hiểu rõ khái niệm này giúp thiết kế khung chịu lực an toàn và kinh tế.
Mức độ chuyển vị của dầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật:
- Tải trọng tác dụng: Tải trọng càng lớn hoặc phân bố không đều thì dầm uốn cong càng nhiều. Tải trọng thường xuyên (như trọng lượng mái, thiết bị treo) gây độ võng dài hạn, trong khi tải trọng tạm thời (gió, người, xe cẩu trục) gây võng tức thời.
- Chiều dài nhịp dầm: Dầm có nhịp càng lớn thì độ võng càng tăng (độ võng tỷ lệ với lũy thừa bốn của chiều dài nhịp theo công thức đàn hồi). Vì vậy nhà xưởng khẩu độ lớn dễ xuất hiện chuyển vị đáng kể hơn nhà dân dụng khẩu độ nhỏ.
- Độ cứng tiết diện và vật liệu: Độ cứng uốn của dầm được đo bằng EI (E: mô đun đàn hồi của vật liệu, I: mô men quán tính tiết diện). Dầm tiết diện lớn (I lớn) hoặc vật liệu cứng hơn (E cao, ví dụ thép cứng hơn gỗ) sẽ giảm độ võng. Ngược lại, dầm mảnh hoặc vật liệu mềm sẽ dễ biến dạng hơn.
- Điều kiện gối tựa: Liên kết hai đầu dầm ảnh hưởng lớn đến chuyển vị. Dầm liên tục hay dầm có liên kết ngàm sẽ võng ít hơn so với dầm đơn giản tựa tự do hai đầu, do liên kết ngàm giúp chống uốn tốt hơn.
- Yếu tố khác: Nhiệt độ môi trường làm giãn nở vật liệu (đặc biệt với kết cấu thép và bê tông) cũng gây ra chuyển vị nhỏ tích lũy. Ngoài ra, sai lệch khi thi công (dầm đặt không đúng cao độ thiết kế, nền móng lún không đều) có thể làm tăng chuyển vị thực tế của dầm.
Có nhiều phương pháp kỹ thuật để tính chuyển vị (độ võng) của dầm trong thiết kế kết cấu. Truyền thống, các công thức trong Sức bền vật liệu dựa trên phương trình vi phân đường đàn hồi của dầm:
Từ đó tính ra độ võng (y) bằng cách tích phân moment uốn dọc theo dầm. Các phương pháp kinh điển bao gồm phương pháp tích phân, phương pháp mômen diện tích, phương pháp năng lượng, và hiện đại hơn là phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) bằng máy tính. Dù dùng phương pháp nào, mục tiêu là xác định được độ võng tại các điểm quan trọng (thường là độ võng tối đa ở giữa nhịp).
Trong thực tế, kỹ sư thường sử dụng các công thức có sẵn cho các trường hợp dầm tiêu chuẩn. Ví dụ, với dầm giản đơn (2 gối tựa đơn) chịu tải trọng phân bố đều q trên toàn nhịp L, độ võng tối đa ở giữa nhịp được tính theo công thức:
Công thức này cho thấy độ võng tăng nhanh theo lũy thừa bốn của chiều dài nhịp L, và tỉ lệ nghịch với độ cứng uốn EI của dầm. Điều này giải thích vì sao dầm dài phải đặc biệt chú ý đến chuyển vị, và cũng gợi ý rằng tăng độ cứng (E hoặc I) sẽ giảm võng đáng kể.
Để minh họa, giả sử một dầm thép trong nhà xưởng có nhịp L = 20m, chịu tải trọng đều do mái tôn và thiết bị treo khoảng q = 1 kN/m. Nếu mô đun đàn hồi của thép E ≈ 200.000 MPa và chọn tiết diện dầm có moment quán tính I, ta có thể ước tính độ võng fmaxqua công thức trên.
Sau khi tính toán, giả sử fmax ≈ 20 mm. So sánh với giới hạn cho phép (chẳng hạn L/400 = 50 mm cho nhịp 20m), ta thấy độ võng nằm trong giới hạn. Ví dụ này cho thấy quy trình: tính độ võng lý thuyết, rồi đối chiếu với tiêu chuẩn cho phép để đánh giá thiết kế ban đầu đã đạt yêu cầu chưa.
Ngày nay, hầu hết kỹ sư sử dụng phần mềm kết cấu (SAP2000, ETABS, Staad.Pro, v.v.) để tính toán chuyển vị dầm trong mô hình 3D. Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép tính chính xác độ võng tại nhiều điểm trên dầm dưới các tổ hợp tải trọng phức tạp. Tuy nhiên, hiểu rõ các công thức cơ bản vẫn rất cần thiết để kiểm tra nhanh kết quả phần mềm và đảm bảo thiết kế hợp lý.
Trong xây dựng nhà xưởng, dầm thường có khẩu độ lớn (nhịp dài) nên chuyển vị dầm là vấn đề nổi bật. Độ võng quá mức có thể dẫn đến những rủi ro về kết cấu: dầm uốn quá nhiều làm thay đổi phân phối ứng lực, thậm chí có thể gây nứt vỡ những phần kết cấu liên quan (ví dụ: tấm tường xây trên dầm bị nứt do dầm võng). Mặc dù bản thân dầm thép uốn không gãy ngay khi võng lớn (vì thường vẫn trong giới hạn đàn hồi), nhưng võng quá mức báo hiệu thiếu độ cứng, tiềm ẩn nguy cơ mất ổn định nếu tải trọng tăng cao hoặc xảy ra tải đặc biệt.
Nhà xưởng là nơi vận hành máy móc, thiết bị, đôi khi có cả cầu trục, do đó yêu cầu độ biến dạng của kết cấu phải trong giới hạn để không ảnh hưởng vận hành. Ví dụ, nếu dầm đỡ cầu trục võng nhiều sẽ làm ray cầu trục lệch cốt cao độ, gây kẹt bánh xe hoặc mài mòn thiết bị. Hay dầm mái xưởng võng lớn có thể làm đọng nước mưa trên mái tôn, tăng nguy cơ thấm dột hoặc thậm chí võng dồn gây sập cục bộ mái. Đối với khu vực sàn công tác trong xưởng (nếu có dầm sàn bê tông), võng lớn sẽ gây nứt nền, rung sàn ảnh hưởng đến người và thiết bị nhạy cảm.
Chuyển vị dầm cũng liên quan đến khả năng sử dụng lâu dài. Dầm võng nhiều lần (do tải trọng lặp, nhiệt độ ngày đêm) có thể làm mỏi vật liệu tại các mối nối, bu lông, làm lỏng kết cấu liên kết trong khung nhà xưởng theo thời gian. Về thẩm mỹ, một hệ dầm mái võng thấy rõ bằng mắt thường sẽ tạo cảm giác công trình thiếu chắc chắn. Đối với chủ đầu tư, điều này ảnh hưởng đến niềm tin về chất lượng xây dựng. Do đó, một thiết kế tốt cần đảm bảo độ võng trong giới hạn không chỉ để an toàn mà còn để công trình vững chãi, bền đẹp trong mắt người sử dụng.
- Đặc điểm khung thép tiền chế: Phần lớn nhà xưởng hiện đại sử dụng kết cấu khung thép (nhà thép tiền chế) với nhịp lớn, cột cao và dầm mái dài. Khung thép thường bao gồm cột và dầm mái (dầm kèo) tạo thành khung hình chữ “Portal”. Dầm mái có thể là dầm tổ hợp tiết diện thay đổi (cao hơn tại gối, thấp hơn ở giữa) để tối ưu chống uốn. Tuy nhiên, do vật liệu thép có cường độ cao nhưng độ cứng hữu hạn, nên khung thép nhịp càng lớn thì độ võng dầm mái càng đáng kể nếu không thiết kế phù hợp.
- Trường hợp điển hình: Một nhà xưởng khung thép 1 tầng, nhịp 30m chẳng hạn, dầm mái nếu thiết kế tiết diện không đủ lớn sẽ võng xuống rõ rệt ở giữa nhịp khi lắp đặt mái tôn và chịu gió. Ngoài ra, xà gồ mái (purlin) và dầm tường (girt), đây là các cấu kiện thứ yếu, cũng phải được kiểm tra độ võng để tấm tôn mái và tường không bị võng cong gây hở vít, dột nước.
- Kiểm tra chuyển vị trong thiết kế: Kỹ sư kết cấu khi thiết kế khung thép nhà xưởng luôn kiểm tra chuyển vị từng cấu kiện dưới tổ hợp tải trọng bất lợi nhất. Hầu hết các công trình khung, giàn thép đều cần tính toán biến dạng dầm dưới tác dụng của tải trọng ngoại lực. Việc này đảm bảo rằng tại mọi giai đoạn (lắp dựng, sử dụng) kết cấu duy trì trong giới hạn cho phép, phòng ngừa các sự cố liên quan đến võng.
Trong tiêu chuẩn thiết kế xây dựng, đặc biệt là tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép (TCVN 5575:2012 và các cập nhật mới), có quy định cụ thể về độ võng cho phép của các cấu kiện chịu uốn. Tiêu chuẩn thường nêu giới hạn dưới dạng tỷ lệ giữa độ võng tối đa và chiều dài nhịp L. Ví dụ, theo tiêu chuẩn TCVN, độ võng của dầm chính trong khung nhà xưởng một tầng thường không được vượt quá khoảng L/400 (chiều dài nhịp chia cho 400). Điều này có nghĩa là với nhịp 20m, độ võng cho phép xấp xỉ 50mm. Tương tự, dầm console (công xôn) có nhịp công xôn Lct thì giới hạn tính theo 2Lct (do công xôn tính đổi về nhịp ảo gấp đôi).
Bên cạnh dầm chính, tiêu chuẩn cũng quy định cho dầm phụ và sàn. Chẳng hạn, dầm đỡ sàn bê tông có yêu cầu hoàn thiện cao (trần trát, thiết bị treo) thường giới hạn nghiêm ngặt hơn, như L/250 hoặc L/300, tùy thuộc vào công năng. Đối với cột nhà xưởng chịu lực ngang (gió hoặc cầu trục), tiêu chuẩn cũng khống chế chuyển vị ngang đỉnh cột khoảng H/300 đến H/500 tùy chiều cao và số tầng. Tất cả những giới hạn này nhằm đảm bảo kết cấu đủ cứng để công trình hoạt động bình thường (trạng thái giới hạn sử dụng) chứ không chỉ đứng vững về mặt chịu lực.
Khi thiết kế, kỹ sư phải tính toán độ võng dầm dưới tải trọng tiêu chuẩn (tải sử dụng, không nhân hệ số vượt tải) theo đúng yêu cầu tiêu chuẩn. Kết quả tính được (f) sẽ so sánh với giới hạn cho phép [f]. Nếu f ≤ [f]
