Kết cấu nhà xưởng quyết định trực tiếp đến độ an toàn, khả năng chịu tải, tiến độ thi công, chi phí đầu tư của toàn bộ công trình. Tuy nhiên, nhiều chủ đầu tư vẫn lựa chọn phương án dựa chủ yếu vào đơn giá hoặc khối lượng thép. Nhưng vẫn chưa hoặc bỏ qua đánh giá đầy đủ về tải trọng máy móc, điều kiện địa chất, cầu trục hay kế hoạch mở rộng. Bài viết dưới đây Vacons chia sẻ đến bạn về kết cấu nhà xưởng là gì và cơ bản về nó nhé. 

Kết cấu nhà xưởng là gì và giữ vai trò như thế nào?

Khái niệm kết cấu nhà xưởng

Kết cấu nhà xưởng là hệ thống các bộ phận chịu lực được liên kết với nhau. Nhằm tiếp nhận, phân phối và truyền tải trọng của công trình xuống nền đất. Hệ thống này thường gồm móng, cột, dầm, kèo, xà gồ, hệ giằng cùng các chi tiết liên kết. Có thể hình dung kết cấu giống như bộ khung xương của nhà máy. Phần mái tiếp nhận tải trọng từ tấm lợp, gió, thiết bị treo hoặc hệ thống kỹ thuật. Tải trọng sau đó được truyền qua xà gồ, kèo, cột, móng rồi phân bổ xuống nền đất.

kết cấu nhà xưởng
Một phần khung kết cấu nhà xưởng đang thi công

Chủ đầu tư cần phân biệt ba nhóm chính trong một công trình nhà xưởng:

  • Hệ chịu lực gồm móng, cột, dầm, kèo và giằng.
  • Hệ bao che gồm mái, tường, cửa, tấm panel hoặc tôn.
  • Hệ kỹ thuật gồm điện, cấp thoát nước, thông gió, điều hòa và phòng cháy chữa cháy.

Tường tôn hoặc tấm panel thường không phải là bộ phận chịu lực chính. Tuy nhiên, trọng lượng của chúng vẫn được truyền vào khung. Vì thế, đơn vị thiết kế phải tính đầy đủ các tải trọng liên quan.

Vai trò của kết cấu đối với an toàn và chi phí

Phương án kết cấu ảnh hưởng trực tiếp đến khẩu độ không gian, chiều cao thông thủy, khả năng bố trí máy móc và tiến độ lắp dựng. Đây cũng là cơ sở để xác định khối lượng thép, bê tông, cọc cùng nhiều hạng mục quan trọng khác. Nếu quá dư, phải chi thêm tiền cho vật liệu nhưng chưa chắc nhận được giá trị tương ứng. Ngược lại, nếu thiếu, có thể gây võng dầm, rung sàn, nứt cấu kiện hoặc mất ổn định khi gặp gió lớn.

Một số nhà xưởng có tổng diện tích giống nhau nhưng chi phí kết cấu rất khác nhau. Nguyên nhân thường đến từ địa chất, khẩu độ khung, tải trọng máy, chiều cao công trình, cầu trục hoặc yêu cầu mở rộng. Vì vậy, so sánh phương án chỉ dựa vào tổng số tấn thép là chưa đủ. Chủ đầu tư cần xem xét thêm sơ đồ chịu lực, kích thước nhịp, độ võng, phương án móng. Đặc biệt là khả năng thi công thực tế.

Thông tin cần cung cấp trước khi thiết kế

Muốn thiết kế kết cấu nhà xưởng chính xác, doanh nghiệp phải cung cấp dữ liệu đầu vào đầy đủ. Bản vẽ mặt bằng đơn thuần chưa thể phản ánh hết yêu cầu sản xuất. Những thông tin quan trọng gồm:

  • Loại hình sản xuất và quy trình vận hành.
  • Kích thước, trọng lượng của máy móc.
  • Vị trí thiết bị tạo rung hoặc tải trọng động.
  • Nhu cầu sử dụng cầu trục.
  • Tải trọng nâng cùng chiều cao hoạt động của cầu trục.
  • Tải trọng kho và chiều cao xếp hàng.
  • Hệ thống ống gió, máng cáp hoặc thiết bị treo dưới mái.
  • Kế hoạch lắp đặt pin năng lượng mặt trời.
  • Môi trường có độ ẩm, hóa chất hay nguy cơ ăn mòn.
  • Kế hoạch mở rộng nhà máy trong tương lai.

Thiếu một trong các dữ liệu trên có thể khiến phương án ban đầu phải điều chỉnh khi thi công. Chi phí phát sinh lúc này thường cao hơn nhiều so với việc khảo sát kỹ ngay từ đầu.

Các loại kết cấu nhà xưởng phổ biến hiện nay

Kết cấu nhà xưởng bằng thép

Kết cấu nhà xưởng bằng thép, hay còn gọi là “nhà thép tiền chế”. Thường gồm móng bê tông cốt thép, cột thép, kèo thép, xà gồ cùng hệ giằng. Các cấu kiện được gia công tại nhà máy rồi vận chuyển đến công trường để lắp dựng. Ưu điểm nổi bật của hệ thép là trọng lượng tương đối nhẹ, tốc độ thi công nhanh, khả năng tạo nhịp lớn. Không gian bên trong ít cột dễ bố trí dây chuyền sản xuất, kho hàng hoặc đường vận chuyển.

kết cấu nhà xưởng
Khung nhà thép tiền chế

Hệ thép cũng phù hợp với nhà xưởng cần mở rộng. Nhà thầu có thể thiết kế sẵn vị trí đấu nối để bổ sung khung mới khi nhu cầu sản xuất tăng. Tuy nhiên, thép cần được bảo vệ trước nguy cơ ăn mòn, tác động của nhiệt độ cao. Chất lượng mối hàn, bu lông cùng lớp sơn bảo vệ phải được kiểm soát chặt. Nhà xưởng có hóa chất, độ ẩm cao hoặc hơi muối cần một giải pháp bảo vệ riêng. Phương án này thường được lựa chọn cho kho logistics, xưởng cơ khí, nhà máy sản xuất một tầng hoặc công trình yêu cầu tiến độ nhanh.

Xem thêm: Quy trình và các khuyến nghị khi thiết kế kết cấu khung thép nhà công nghiệp một tầng theo tiêu chuẩn châu Âu

Kết cấu bê tông cốt thép

Nhà xưởng bê tông cốt thép sử dụng móng, cột, dầm và sàn bê tông làm hệ chịu lực chính. Loại hình này có độ cứng lớn, khả năng chống rung tốt, phù hợp với công trình có tải trọng sàn cao. Hệ bê tông thường được cân nhắc cho nhà xưởng nhiều tầng, kho chứa nặng hoặc khu vực đặt thiết bị tạo rung. Khối lượng bản thân lớn giúp công trình ổn định hơn. Song cũng làm tăng tải trọng truyền xuống móng.

Thời gian thi công bê tông cốt thép thường dài hơn. Do phải lắp dựng cốp pha, bố trí cốt thép, đổ bê tông, chờ dưỡng hộ. Việc cải tạo hoặc mở rộng sau này cũng phức tạp hơn so với khung thép. Chủ đầu tư không nên mặc định hệ bê tông luôn bền hơn trong mọi trường hợp. Hiệu quả thực tế vẫn phụ thuộc vào thiết kế, chất lượng vật liệu, quy trình thi công và điều kiện sử dụng.

Kết cấu hỗn hợp thép và bê tông

Kết cấu nhà xưởng hỗn hợp kết hợp hai loại vật liệu để tận dụng ưu điểm của từng hệ. Như móng cùng cột sử dụng bê tông cốt thép, trong khi phần mái dùng kèo thép. Một số dự án sử dụng dầm thép kết hợp sàn bê tông. Giải pháp hỗn hợp phù hợp với nhà máy có nhiều khu vực công năng khác nhau. Khu sản xuất có thể dùng khung thép để tạo không gian rộng. Khối văn phòng hoặc khu kỹ thuật nhiều tầng có thể sử dụng bê tông cốt thép nhằm tăng độ cứng.

Thách thức lớn nhất nằm ở vị trí chuyển tiếp giữa hai hệ. Liên kết phải được tính toán đồng bộ để tránh chênh lệch biến dạng hoặc truyền lực thiếu ổn định. Do đó, kiến trúc, kết cấu, hệ thống kỹ thuật cần được phối hợp ngay từ giai đoạn thiết kế cơ sở. Cần chia nhỏ từng hạng mục cho nhiều đơn vị, nhưng thiếu đầu mối kiểm soát có thể gây xung đột tại công trường.

Cấu tạo và nguyên lý chịu lực của kết cấu nhà xưởng

Các bộ phận chính trong hệ kết cấu

Mỗi bộ phận trong kết cấu nhà xưởng đảm nhận một chức năng riêng. Nhưng phải làm việc như một hệ thống thống nhất. Mái và xà gồ tiếp nhận tải trọng từ tấm lợp, mưa, gió, hệ thống kỹ thuật hoặc pin năng lượng mặt trời. Xà gồ truyền tải trọng về kèo hoặc dầm mái. Kèo tiếp tục truyền lực về cột. Cột tiếp nhận tải trọng từ mái, dầm cầu trục hoặc sàn rồi chuyển xuống móng. Móng phân phối tải trọng xuống nền đất.

kết cấu nhà xưởng
Chi tiết cơ bản kết cấu

Hệ giằng giúp công trình ổn định theo phương ngang, hạn chế chuyển vị, hỗ trợ truyền lực gió. Nếu bố trí giằng thiếu hợp lý, khung có thể bị biến dạng dù cột, kèo có tiết diện lớn. Các liên kết bằng bu lông, bản mã hoặc mối hàn giữ vai trò kết nối cấu kiện. Sai lệch trong gia công hoặc lắp dựng có thể làm thay đổi khả năng truyền lực của toàn bộ hệ khung.

Xem thêm: Thiết Kế Nhà Máy Cần Đáp Ứng Tiêu Chuẩn Kỹ Thuật Nào?

Nguyên lý truyền tải trọng

Nguyên lý chịu lực cơ bản có thể tóm tắt theo trình tự: mái → xà gồ → kèo hoặc dầm → cột → móng → nền đất. Đối với tải trọng gió, lực tác động lên mái và tường bao sẽ truyền qua xà gồ, dầm tường, khung chính cùng hệ giằng trước khi xuống móng. Nhà xưởng sử dụng cầu trục có đường truyền lực phức tạp hơn. Tải từ hàng hóa cùng cầu trục truyền qua ray, dầm cầu trục, vai cột, thân cột rồi xuống móng. Ngoài tải đứng, hệ kết cấu còn chịu lực ngang do quá trình phanh, di chuyển hoặc vận hành thiết bị.

Khi tính toán kết cấu nhà xưởng, kỹ sư phải xét tĩnh tải, hoạt tải, gió, tải máy, tải treo cùng tác động của rung. Những tải trọng này không xuất hiện riêng lẻ mà có thể tác động đồng thời theo nhiều tổ hợp khác nhau. Việc xác định tải trọng cần tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp. Chủ đầu tư, đơn vị tư vấn có thể tham khảo hướng dẫn phân loại tải trọng và tổ hợp tải trọng do Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng công bố.

Chủ đầu tư cần kiểm tra những gì?

Chủ đầu tư không cần tự tính toán nội lực nhưng nên kiểm tra tính đầy đủ của phương án. Một số câu hỏi quan trọng gồm:

  • Nhịp cột có cản trở dây chuyền không?
  • Chiều cao thông thủy đã tính đến ống gió, máng cáp chưa?
  • Hồ sơ đã đưa tải trọng của máy vào mô hình chưa?
  • Cầu trục đã được tính đồng bộ với cột và móng chưa?
  • Hệ giằng có vướng cửa hoặc đường vận chuyển không?
  • Móng đã dựa trên khảo sát địa chất chưa?
  • Kết cấu có dự phòng tải trọng pin mặt trời không?
  • Phương án có hỗ trợ mở rộng nhà xưởng không?

Phương án kết cấu nhà xưởng tốt là phương án có giải pháp phù hợp. Đáp ứng đồng thời công năng, an toàn, tiến độ, ngân sách và khả năng vận hành dài hạn. Chứ không phải phụ thuộc vào việc có sử dụng nhiều hay ít vật liệu.

Tóm lại, kết cấu nhà xưởng là hệ thống chịu lực liên kết từ mái xuống nền đất. Không có một loại kết cấu phù hợp cho mọi nhà máy. Phương án tối ưu phải xuất phát từ công năng, tải trọng, địa chất, tiến độ và kế hoạch mở rộng. Trước khi lựa chọn phương án kết cấu nhà xưởng, chủ đầu tư nên hoàn thiện dữ liệu sơ bộ. Đây là cơ sở để đội ngũ thiết kế Vacons đề xuất giải pháp phù hợp với công năng, tiến độ, ngân sách đầu tư. Đón xem các bản tin khác về nhà xưởng ở các bài viết tiếp theo nhé!

Vacons – Đơn vị thiết kế thi công nhà xưởng uy tín, chuyên nghiệp