Thiết Kế Kết Cấu Nhà Xưởng & Công Trình Công Nghiệp – Tài Liệu, Quy Trình và Những Lưu Ý Quan Trọng

Thiết kế kết cấu là một trong những hạng mục quan trọng nhất trong xây dựng nhà xưởng và công trình công nghiệp. Kết cấu quyết định độ an toàn, khả năng chịu lực, tuổi thọ và chi phí đầu tư của toàn bộ dự án. Đặc thù của công trình công nghiệp là khẩu độ lớn, tải trọng nặng, hoạt động liên tục và yêu cầu an toàn rất cao, do đó thiết kế kết cấu đòi hỏi kinh nghiệm và tuân thủ chặt chẽ các tiêu chuẩn kỹ thuật.

1. Thiết kế kết cấu nhà xưởng là gì?

Thiết kế kết cấu nhà xưởng là quá trình tính toán và lựa chọn giải pháp chịu lực cho các hạng mục:

• Khung thép hoặc bê tông cốt thép

• Móng cọc / móng đơn / móng băng

• Dầm – cột – kèo – xà gồ

• Sàn công tác, sàn kỹ thuật

• Nền nhà xưởng chịu tải trọng xe nâng, hàng hóa

• Kết cấu phụ trợ: cầu trục, sàn thao tác, bệ máy, bồn bể, tháp…

Mục tiêu của thiết kế kết cấu là đảm bảo công trình ổn định – bền vững – an toàn, đồng thời tối ưu chi phí và dễ bảo trì.

2. Các tài liệu, quy chuẩn và tiêu chuẩn áp dụng

Dưới đây là các tài liệu quan trọng bắt buộc khi thiết kế kết cấu nhà xưởng tại Việt Nam:

2.1. Quy chuẩn xây dựng (QCVN)

• QCVN 02:2022/BXD – An toàn kết cấu

• QCVN 06:2022/BXD – Quy chuẩn an toàn cháy

• QCXDVN 01:2021/BXD – Quy hoạch xây dựng

• QCVN 09:2017/BXD – Công trình sử dụng năng lượng hiệu quả

2.2. Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu (TCVN)

• TCVN 2737:1995 – Tải trọng và tác động

• TCVN 5575:2012 – Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép

• TCVN 5574:2018 – Bê tông cốt thép – tiêu chuẩn thiết kế

• TCVN 9362:2012 – Thiết kế nền móng

• TCVN 10304:2014 – Cọc bê tông cốt thép

• TCVN 9386:2012 – Thiết kế công trình chịu động đất

• TCVN 9205, 4519, 4447 – Vật liệu & thi công liên quan

2.3. Các tiêu chuẩn quốc tế (nếu áp dụng)

Tùy yêu cầu chủ đầu tư nước ngoài:

• AISC, ASD, LRFD – Thiết kế kết cấu thép

• ACI 318 – Thiết kế bê tông cốt thép

• AS/NZS 1170 – Tải trọng gió, tải trọng động

• EN 1991–1998 (Eurocodes)

3. Quy trình thiết kế kết cấu nhà xưởng công nghiệp

Quy trình chuẩn cho một dự án nhà xưởng gồm các bước sau:

Bước 1 – Tiếp nhận thông số đầu vào

• Quy hoạch tổng thể và mặt bằng kiến trúc

• Ngành nghề sản xuất

• Khẩu độ khung, chiều cao, số tầng

• Tải trọng máy móc, cầu trục, bồn bể

• Điều kiện địa chất công trình

• Yêu cầu của chủ đầu tư (loại khung thép, độ bền, tối ưu chi phí)

Bước 2 – Xác định tải trọng

Bao gồm các tải trọng theo TCVN 2737:

• Tải trọng bản thân

• Tải trọng mái

• Tải trọng gió

• Tải trọng cầu trục

• Tải trọng động đất (khi cần)

• Tải trọng sàn, tải máy móc

• Hoạt tải xe nâng và hàng hóa trên nền xưởng

Bước 3 – Lựa chọn giải pháp kết cấu

Các cấu hình phổ biến:

• Khung thép tiền chế (thường dùng cho khẩu độ lớn 20–50 m)

• Khung thép tổ hợp H, I hàn theo yêu cầu tải trọng

• Khung BTCT cho nhà máy nặng hoặc nhiều tầng

• Móng cọc (đất yếu) / móng đơn – băng (đất tốt)

Giải pháp được lựa chọn dựa trên: kinh tế, địa chất, yêu cầu PCCC, yêu cầu mở rộng.

Bước 4 – Mô hình tính toán

Tư vấn sử dụng các phần mềm:

• SAP2000

• ETABS

• Tekla Structural Designer

• Robot Structural Analysis

Các bước tính toán:

• Mô hình khung – gió – tải trọng

• Tổ hợp tải theo quy chuẩn

• Kiểm tra lực – mô men – biến dạng

• Thiết kế tiết diện dầm/cột/kèo

• Kiểm tra liên kết bulong – hàn

• Kiểm tra độ võng của kèo thép và xà gồ

Bước 5 – Triển khai bản vẽ kết cấu

Bao gồm:

• Mặt bằng móng, chi tiết móng

• Bố trí cọc

• Mặt bằng dầm – cột – sàn

• Chi tiết khung kèo thép

• Bản vẽ liên kết bulong, bản mã, giằng

• Bản vẽ bệ máy, bệ silo, bồn bể

• Bản vẽ nền xưởng (độ dày + tải trọng)

Bước 6 – Kiểm tra phối hợp và phát hành hồ sơ

Phối hợp với:

• Kiến trúc

• MEP – điện – nước – HVAC

• PCCC

• Quy hoạch và hạ tầng

Đảm bảo không xung đột giữa kết cấu và hệ thống kỹ thuật.

4. Những lưu ý quan trọng trong thiết kế kết cấu nhà xưởng

4.1. Tối ưu chi phí nhưng không làm giảm an toàn

• Lựa chọn khẩu độ, tiết diện hợp lý

• Tối ưu chiều cao > giảm lực gió

• Giảm số lượng cột để tiết kiệm nền – móng

4.2. Lưu ý tải trọng cầu trục

• Đây là tải trọng đặc thù và nguy hiểm

• Phải tính chính xác theo tiêu chuẩn

• Kiểm tra đường ray, dầm đỡ, lực ngang, lực phanh

4.3. Kiểm soát dao động và độ võng

• Khung thép khẩu độ lớn dễ võng

• Phải kiểm tra độ võng theo TCVN 5575

• Hạn chế rung cho sàn kỹ thuật hoặc bệ máy

4.4. Nền nhà xưởng cần thiết kế riêng

• Xác định tải trọng xe nâng

• Kiểm tra lún nền

• Thiết kế lớp chống thấm – chống bụi

• Tính toán khe co giãn và cắt

4.5. Địa chất là yếu tố quyết định móng

• Đất yếu → dùng cọc tải trọng cao

• Đất tốt → móng đơn/băng tiết kiệm chi phí

• Kiểm tra lún lệch và lún tổng thể

4.6. Thiết kế PCCC ảnh hưởng đến kết cấu

• Tường ngăn cháy → tăng tải trọng

• Yêu cầu chống cháy kết cấu thép → tăng chiều dày sơn chống cháy

• Bố trí bể nước PCCC, trạm bơm ảnh hưởng móng

4.7. Dự phòng mở rộng tương lai

• Lựa chọn giải pháp dễ mở rộng 1–2 nhịp

• Gia cố móng tại vị trí dự kiến mở rộng

• Tính toán cẩn thận hệ giằng và khung biên

5. Kết luận

Thiết kế kết cấu nhà xưởng và công trình công nghiệp là một công việc phức tạp, yêu cầu hiểu biết sâu về tiêu chuẩn – tải trọng – vật liệu – địa chất – PCCC – thiết bị sản xuất. Một thiết kế tối ưu sẽ giúp:

• Tăng độ an toàn của công trình

• Tiết kiệm chi phí thi công

• Giảm rủi ro lún, nứt, võng

• Tăng tuổi thọ khai thác

• Dễ dàng mở rộng hoặc cải tạo trong tương lai