Công tác thiết kế kết cấu là một trong các bước quan trọng để đưa một công trình vào sử dụng một cách ổn định. Dựa vào hồ sơ thiết kế Kiến trúc, kỹ sư thiết kế Kết cấu có nhiệm vụ tính toán, triển khai các phương án và chi tiết tổng thể các cấu kiện của công trình từ: móng, cột, dầm, sàn, cầu thang, bể nước,…

Vậy Kết cấu công trình là gì? Kết cấu công trình là từ dùng để chỉ các Cấu kiện chịu lực, các cấu kiện này chống lại sự phá hoại của các tải trọng tác dụng gây phá hủy sự ổn định cần thiết cho công trình xây dựng, Kết cấu công trình gồm nhiều bộ phận (cấu kiện) liên kết lại tạo thành bộ khung cho một công trình như: Sàn, Dầm, Cột, Vách, Móng…

Kết cấu các công trình hiện nay thường được làm bằng các loại vật liệu Gạch đá, Bê tông cốt thép, Thép và Gỗ. Vậy hãy cùng tìm hiểu những lí do tại sao tư vấn thiết kế kết cấu lại là một bước quan trọng trong xây dựng.

Thiết kế kết cấu đảm bảo yếu tố công trình

Mỗi công trình, Kiến trúc ra đời đều vì mục đích sử dụng cho con người. Sự chắc chắn trong kết cấu công trình ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng và tải sản của người sử dụng. Một kết cấu công trình phải được thiết kế và xây dựng sao cho bảo đảm các điều kiện bền, cứng và ổn định.

• Điều kiện bền của công trình yêu cầu các cấu kiện không được phá hoại khi chịu các tác động từ các lực, tải trọng bên ngoài.

• Điều kiện cứng yêu cầu kết cấu và cấu kiện không được biến dạng, chuyển vị quá mức cho phép khi chịu các tác động thường xuyên. Yêu cầu này bảo đảm điều kiện vận hành bình thường cho công trình.

• Điều kiện ổn định yêu cầu kết cấu trở lại hình dạng ban đầu sau khi tải trọng thôi tác dụng và không bị phá hủy.

Đặc thù ngành nghề, kỹ sư kết cấu là người làm việc với những con số phức tạp để có thể tìm ra phương án thi công thiết kế kết cấu hạ tầng đảm bảo công trình bền vững với các yếu tố tác động từ bên ngoài thiên nhiên. Vì vậy, lựa chọn một đơn vị tư vấn thiết kế kết cấu đủ năng lực và kinh nghiệm là điều vô cùng quan trọng đối với chủ đầu tư.

Quy trình các bước thiết kế kết cấu

Các bước trong quy trình thiết kế kết cấu nhà dân dụng:

Bước 1: Khảo sát hiện trạng và thu thập thông tin

Bước đầu tiên trong quy trình thiết kế kết cấu nhà dân là khảo sát hiện trạng và thu thập thông tin. Kỹ sư thiết kế sẽ tiến hành khảo sát địa điểm xây dựng, nắm bắt diện tích đất, địa chất, khí hậu,... Ngoài ra, kỹ sư cũng sẽ trao đổi với chủ đầu tư để nắm bắt nhu cầu, sở thích và yêu cầu về thiết kế kết cấu của ngôi nhà.

Một số dữ liệu đầu vào thông thường cần có:

Khảo sát địa chất - thuỷ văn

• Đối với địa chất: Xác định mực nước ngầm và môi trường ăn mòn.

• Đối với thủy văn: Xác định chiều dày lớp bê tông bảo vệ và loại xi măng phù hợp với môi trường ăn mòn.

Môi trường xung quanh – địa điểm công trình:

• Xác định vị trí đặt các thiết bị máy móc nặng và tải trọng của chúng.

• Xác định chiều cao thông thủy yêu cầu từ bộ phận M&E và Kiến trúc.

• Đánh giá công nghệ sử dụng trong thi công và tính khả thi trong điều kiện hiện có.

Bước 2: Lập nhiệm vụ thiết kế

Trên cơ sở những thông tin thu thập được, kỹ sư thiết kế sẽ lập nhiệm vụ thiết kế kết cấu nhà dân dụng. Nhiệm vụ thiết kế sẽ bao gồm các nội dung chính sau:

• Mục đích, yêu cầu của thiết kế

• Các thông số kỹ thuật của công trình

• Các điều kiện tự nhiên, kinh tế, xã hội

• Các yêu cầu về thẩm mỹ, phong thủy

Bước 3: Tính toán tải trọng

Sau khi có nhiệm vụ thiết kế, kỹ sư thiết kế sẽ tiến hành tính toán tải trọng. Quá trình tính toán tải trọng sẽ bao gồm các nội dung sau:

• Tính toán tải trọng đứng: trọng lượng bản thân công trình, tĩnh tải sàn, tĩnh tải mái, tải trọng tường, vách ngăn, hoạt tải sàn, hoạt tải mái

• Tính toán tải trọng ngang: tải trọng gió, tải trọng động đất

Bước 4: Chọn sơ bộ kích thước tiết diện các cấu kiện của hệ chịu lực

Trên cơ sở kết quả tính toán tải trọng, kỹ sư thiết kế sẽ tiến hành kích thước tiết diện sơ bộ.

Trong quá trình thiết kế kết cấu nhà dân dụng, việc chọn sơ bộ kích thước tiết diện các cấu kiện của hệ chịu lực là một bước quan trọng. Kích thước tiết diện sơ bộ sẽ được xác định dựa trên các yếu tố sau:

• Tải trọng tác dụng lên cấu kiện

• Cường độ chịu lực của vật liệu

• Kích thước nhịp của cấu kiện

• Loại kết cấu

• Các yêu cầu về thẩm mỹ

Bước 5: Lập mô hình kết cấu & Kiểm tra

Mô hình kết cấu sẽ được sử dụng để tính toán nội lực và kiểm tra độ ổn định của kết cấu.

• Trên cơ sở tiết diện dầm, cột, sàn sơ bộ đã chọn, kỹ sư thiết kế sẽ tiến hành lập mô hình kết cấu. Mô hình kết cấu sẽ được xây dựng bằng phần mềm phân tích kết cấu.

• Kỹ sư thiết kế sẽ xác định vật liệu cho cấu kiện, tải trọng tác động, và xây dựng các tổ hợp tải trọng để đảm bảo mô hình phản ánh đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng

• Xác định tiết diện cụ thể của dầm và cột cho từng tầng, cũng như định rõ tiết diện của vách và sàn cho từng cấp độ.

• Gán các loại tiết diện cho mỗi cấu kiện tương ứng và áp dụng tải trọng đứng vào mô hình.

• Thực hiện các bước kiểm tra thường xuyên sau mỗi thao tác để đảm bảo tính chính xác và đồng nhất của mô hình.

• Tích hợp các bước quan trọng khác trong quá trình mô hình hóa để đáp ứng đặc trưng cụ thể của công trình.

• Kiểm tra mô hình thường xuyên, đặc biệt sau mỗi thay đổi, để đảm bảo rằng nó luôn đáp ứng các yêu cầu và điều kiện.

• Thực hiện các bước kiểm tra chéo và rà soát lỗi sau mỗi lần chạy để phát hiện và sửa chữa bất kỳ lỗi nào xuất hiện trong lần chạy phân tích log trước đó.

• Thiết kế sơ bộ và lựa chọn lại tiết diện nếu cần, đặc biệt là nếu thiếu hoặc hàm lượng thép quá lớn.

• Tính toán tải trọng ngang, bao gồm gió và động đất, và nhập dữ liệu tải trọng ngang sau khi kiểm tra mô hình và chu kỳ.

• Kiểm tra chuyển vị, momen xoắn ở các tầng trên cùng, mode cơ bản, và chu kỳ T để đảm bảo chúng hợp lý theo yêu cầu.

• Thử nghiệm thiết kế và lựa chọn lại tiết diện của dầm và cột một cách hợp lý và đáp ứng các yêu cầu kết cấu.

• Kiểm tra lại mọi sai sót có thể xuất hiện trong quá trình lập mô hình, bao gồm tải trọng, tiết diện, kiến trúc, mode cơ bản, chu kỳ T, và sàn có tuyệt đối cứng hay không.

Ngoài ra còn những bước tiếp theo như: 6. Thiết kế cột, sàn, dầm, vách; 7. Thiết kế móng; 8. Thuyết minh tính toán kết cấu. Tất cả các bạn có thể tham khảo tại Sàn Phẳng UTC. 

Thiết kế kết cấu từ bản vẽ đến thực tế

Thông thường, tùy thuộc vào quy mô của từng hạng mục thi công, chi phí xây dựng có thể dao động từ con số hàng trăm triệu đến hàng trăm tỷ đồng. Vì vậy, chủ đầu tư luôn mong muốn tìm kiếm các giải pháp thiết kế kết cấu thi công tối ưu hóa chi phí xây dựng, đồng thời vẫn đảm bảo chất lượng công trình.

Thiết kế kết cấu sẽ là bước cung cấp chi tiết và chính xác cho từng hạng mục thi công, giúp chủ đầu tư thể bao quát chi phí xây dựng, cũng như giảm thiểu chi phí phát sinh không cần thiết trong quá trình thi công.

Trên thực tế, ý tưởng từ bản vẽ thiết kế kết cấu và thực tế thi công luôn tồn tại khoảng cách khác biệt nhất định bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài. Một ngôi nhà có kiến trúc mỹ quan tốt chưa hẳn là ngôi nhà tốt ưu nhất công năng sử dụng cũng như phù hợp với kết cấu mặt bằng và đảm bảo độ vững chắc của công trình.

Vì vậy, mỗi người kỹ sư kết cấu sẽ là người thực hiện hóa ý tưởng kiến trúc thành hiện thực, tính toán dự án mang lại công trình hòa hợp cả tổng thể mỹ quan cùng đảm bảo yếu tố kinh tế.

>>> Tìm hiểu thêm thông tin về: Bản vẽ kết cấu là gì? Mục đích, vai trò và các bước thiết kế – BẠN CÓ BIẾT