Kết Cấu Nhà Khung Thép: Phân Loại, Đặc Điểm, Tiêu Chuẩn Thiết Kế và Ưu Điểm

Kết cấu nhà khung thép chủ yếu dựa trên sơ đồ kết cấu khung ngang chịu lực, dạng vì kèo dàn hoặc đặc và quy mô công trình một tầng một nhịp, một tầng nhiều nhịp, nhà nhiều tầng.

Đặc điểm kỹ thuật nổi bật của kết cấu nhà công nghiệp là khả năng chịu lực cao, trọng lượng nhẹ, tính kín không thấm nước và khả năng vượt qua những nhịp không gian cực lớn mà không cần cột chống giữa.

Thiết kế kết cấu thép phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế về tải trọng, tác động, thiết kế kết cấu và yêu cầu phòng cháy chữa cháy để đảm bảo an toàn tuyệt đối.

Ưu điểm chính của giải pháp này là độ tin cậy và độ bền cao, tối ưu hóa không gian sản xuất, đẩy nhanh tiến độ thi công nhờ tính công nghiệp hóa và rất linh hoạt trong việc nâng cấp, mở rộng sau này.

1. Kết cấu thép nhà công nghiệp là gì?

Kết cấu thép nhà công nghiệp là một dạng quy mô của nhà khung thép, là hệ thống khung chịu lực chính của một công trình xây dựng nhà xưởng, nhà máy, nhà kho, được cấu thành hoàn toàn từ vật liệu thép. Hệ thống này được thiết kế và tính toán để chịu đựng toàn bộ tải trọng của công trình, máy móc thiết bị bên trong và các tác động từ môi trường bên ngoài như gió, bão. Đây chính là bộ khung xương quyết định đến sự bền vững, quy mô và hình dáng của các công trình nhà thép tiền chế hiện đại.

Chi tiết về kết cấu thép nhà công nghiệp được liệt kê theo mục dưới đây: 

1.1 Các thành phần cơ bản của một hệ kết cấu thép nhà xưởng

Một hệ kết cấu thép công nghiệp hoàn chỉnh bao gồm nhiều bộ phận cấu thành, mỗi thành phần đảm nhiệm một vai trò cụ thể trong việc đảm bảo khả năng chịu lực, tính ổn định và độ bền vững của toàn bộ công trình. Các thành phần chính bao gồm:

• Móng: Là phần nền tảng chịu tải trọng từ toàn bộ công trình, thường được làm bằng bê tông cốt thép, có bu lông neo chờ sẵn để liên kết chắc chắn với cột thép.

• Khung kết cấu chính: Là hệ chịu lực chủ đạo, bao gồm cột thép, dầm cầu trục (nếu có) và vì kèo – chịu toàn bộ tải trọng mái, tải trọng gió và lực từ cầu trục.

• Kết cấu phụ: Gồm xà gồ mái, xà gồ tường, thanh chống đỉnh tường và dầm tường, có chức năng hỗ trợ khung chính, truyền tải phụ và ổn định hệ khung.

• Hệ giằng: Bao gồm giằng mái, giằng cột và giằng xà gồ, có vai trò rất quan trọng trong việc giữ ổn định hình học cho khung thép, chống rung và biến dạng ngang theo cả phương dọc và phương ngang.

• Kết cấu bao che: Gồm tôn mái, tấm ốp tường và vật liệu cách nhiệt (nếu có), giúp bảo vệ không gian bên trong khỏi tác động thời tiết và tạo nên diện mạo hoàn thiện cho công trình.

  

2. Phân loại các hệ kết cấu nhà khung thép công nghiệp phổ biến

Tùy theo mục đích sử dụng, điều kiện mặt bằng và yêu cầu kỹ thuật, nhà khung thép công nghiệp có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, giúp lựa chọn phương án thiết kế phù hợp nhất với đặc điểm vận hành và chi phí đầu tư của từng dự án. 

Dưới đây là ba nhóm phân loại phổ biến và có giá trị ứng dụng cao trong thực tiễn thi công nhà xưởng hiện đại:

2.1 Phân loại theo sơ đồ kết cấu

Hệ kết cấu chịu lực chính của nhà xưởng công nghiệp thường là các khung ngang. Mỗi khung ngang gồm cột và vì kèo, liên kết với nhau bằng mối nối cứng hoặc khớp, đảm nhiệm chức năng chịu tải trọng thẳng đứng trọng lượng mái, hoạt tải và tải ngang gió, động đất. Đây là hình thức kết cấu phổ biến nhất trong các nhà máy hiện nay.

2.2 Phân loại theo dạng vì kèo

• Vì kèo dạng dàn: Cấu tạo từ các thanh thép như thép góc, thép ống, thép hộp, liên kết tạo thành một hệ giàn nhẹ nhưng rất cứng vững. Ưu điểm là tiết kiệm vật liệu, phù hợp với nhà xưởng có nhịp lớn trên 30m, thường gặp trong ngành cơ khí nặng, lắp ráp hoặc kho hàng lớn.

• Vì kèo dạng đặc: Thường sử dụng dầm chữ I có tiết diện không đổi hoặc biến đổi vát về hai đầu. Loại này dễ thi công, hiệu quả trong các công trình có nhịp vừa và nhỏ, đặc biệt thích hợp với nhà xưởng có cầu trục tải trọng lớn do khả năng chịu lực tập trung cao.

  

2.3 Phân loại theo quy mô công trình

• Nhà công nghiệp một tầng một nhịp: Là dạng đơn giản và phổ biến nhất, thường dùng cho xưởng nhỏ, kho hàng hoặc trung tâm logistic diện tích vừa.

• Nhà công nghiệp một tầng nhiều nhịp: Được thiết kế cho các nhà máy lớn, nơi cần mở rộng không gian sản xuất theo chiều ngang, có thể bố trí nhiều dây chuyền song song.

• Nhà công nghiệp nhiều tầng: Được áp dụng tại các khu công nghiệp có quỹ đất hạn chế, thường dùng cho sản xuất nhẹ, lắp ráp điện tử, dệt may, với các tầng trên đặt dây chuyền ít rung động và ít tải trọng.

3. Các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép nhà xưởng quan trọng

Việc thiết kế một kết cấu nhà công nghiệp phải tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn và tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành, nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho con người và tài sản trong suốt vòng đời khai thác công trình. Đây là nguyên tắc cốt lõi trong kỹ thuật xây dựng, đặc biệt đối với các công trình khung thép có quy mô lớn và tải trọng phức tạp.

Các tiêu chuẩn thiết kế được liệt kê chi tiết dưới đây: 

3.1 Tiêu chuẩn về tải trọng và tác động

Trong thiết kế kết cấu nhà xưởng công nghiệp, mọi phép tính về nội lực, biến dạng và ổn định cấu kiện phải dựa trên tiêu chuẩn tải trọng chính thức, cụ thể là TCVN 2737:1995. Tiêu chuẩn này quy định các loại tải trọng cơ bản tác động lên công trình, bao gồm:

• Tải trọng tĩnh: Trọng lượng bản thân kết cấu thép, thiết bị lắp đặt, sàn mái và các vật liệu xây dựng cố định.

• Tải trọng động: Bao gồm hoạt tải mái mưa, người di chuyển, tải trọng gió phân bố theo chiều cao, tải trọng cầu trục nếu có, tải động đất, và các lực va đập đặc biệt trong môi trường sản xuất.

Việc xác định chính xác tổ hợp tải trọng là cơ sở để đánh giá độ bền và an toàn công trình trong mọi điều kiện vận hành.

3.2 Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép

TCVN 5575:2012 là tiêu chuẩn quốc gia chính về thiết kế kết cấu thép, quy định đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật trong việc tính toán và thiết kế cấu kiện chịu kéo, nén, uốn, xoắn, cũng như liên kết bằng bu lông, mối hàn và bản mã. Các yếu tố như hệ số an toàn, giới hạn bền vật liệu, điều kiện ổn định và kiểm soát biến dạng đều được tiêu chuẩn hóa để đảm bảo an toàn tuyệt đối trong mọi tình huống tải trọng.

Với các công trình có vốn đầu tư nước ngoài hoặc yêu cầu đặc thù, nhà thiết kế có thể áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế như AISC 360, BS5950, hoặc Eurocode 3 Châu Âu – những bộ tiêu chuẩn có mức độ chi tiết và phổ quát cao, được quốc tế công nhận.

3.3 Yêu cầu về phòng cháy cho kết cấu thép

 Một yếu tố không thể bỏ qua trong thiết kế kết cấu thép là khả năng chống cháy, bởi thép mất cường độ chịu lực nhanh chóng ở nhiệt độ trên 500°C, dễ dẫn đến biến dạng hoặc sụp đổ cục bộ trong trường hợp hỏa hoạn. Do đó, theo yêu cầu của Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn cháy nổ QCVN 06:2022/BXD, các cấu kiện chịu lực chính như cột, dầm, vì kèo phải được bảo vệ bằng các giải pháp chống cháy chuyên dụng như:

• Sơn chống cháy phồng nở intumescent paint với khả năng chịu lửa 60–120 phút.

• Bọc vật liệu chịu nhiệt như bê tông nhẹ, thạch cao chống cháy hoặc tấm calcium silicate.

• Kết hợp với hệ thống sprinkler và báo cháy tự động để kiểm soát sự lan truyền của đám cháy.

Việc đáp ứng đúng yêu cầu phòng cháy không chỉ là nghĩa vụ pháp lý mà còn là cam kết bảo vệ an toàn cho con người, tài sản và dây chuyền sản xuất của doanh nghiệp.

4. Ưu điểm vượt trội của kết cấu nhà công nghiệp bằng thép

Việc sử dụng thép làm vật liệu chính cho hệ kết cấu chịu lực mang lại những lợi thế vượt trội về kỹ thuật, chi phí và khả năng vận hành, từ đó tạo nên lợi thế cạnh tranh bền vững cho các công trình công nghiệp hiện đại. 

Dưới đây là bốn ưu điểm nổi bật nhất:

4.1 Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao

Thép là vật liệu có cường độ chịu kéo và nén lớn, đồng thời có tính đồng nhất cao trong suốt toàn bộ tiết diện, giúp đảm bảo khả năng chịu tải trọng lớn và ổn định trong các điều kiện làm việc phức tạp, như tải cầu trục, rung động từ máy móc hay lực gió mạnh. Khả năng biến dạng dẻo của thép cũng giúp công trình có biên độ an toàn cao, giảm thiểu nguy cơ sụp đổ giòn khi xảy ra quá tải cục bộ.

4.2 Vượt nhịp lớn, tối ưu hóa không gian sản xuất

Một trong những ưu điểm nổi bật nhất của kết cấu thép là khả năng thiết kế vượt nhịp lớn (lên đến 60–90 mét) mà không cần bố trí cột giữa, tạo ra không gian sản xuất thông suốt, linh hoạt, đặc biệt phù hợp với các dây chuyền máy móc liên tục, hệ thống băng chuyền hoặc vận hành xe nâng – AGV không bị cản trở. Từ đó, doanh nghiệp có thể tổ chức luồng logistics nội bộ tối ưu và nâng cao hiệu quả sản xuất.

4.3 Tính công nghiệp hóa cao, đẩy nhanh tiến độ thi công

Toàn bộ cấu kiện thép được sản xuất đồng bộ tại nhà máy theo bản vẽ thiết kế chính xác, sau đó vận chuyển đến công trường và lắp dựng bằng liên kết bu lông. Quá trình này rút ngắn thời gian thi công từ 30–50% so với nhà bê tông truyền thống, giảm thiểu rủi ro thời tiết, chi phí nhân công và quản lý dự án. Điều này giúp doanh nghiệp đưa công trình vào vận hành sớm, rút ngắn vòng đời đầu tư và nâng cao khả năng hoàn vốn.

4.4 Linh hoạt trong nâng cấp và sửa chữa

Nhờ sử dụng liên kết bằng bu lông và mô đun hóa các cấu kiện, hệ kết cấu thép cho phép thay thế từng bộ phận riêng lẻ, dễ mở rộng, cơi nới hoặc tháo dỡ khi cần di dời công trình. Việc này đặc biệt phù hợp trong các giai đoạn tái cấu trúc nhà máy, tăng công suất hoặc thay đổi mặt bằng sản xuất mà không ảnh hưởng lớn đến hệ thống hiện hữu, từ đó giảm thiểu chi phí phát sinh và gián đoạn sản xuất.

5. Sản xuất và lắp dựng kết cấu thép từ nền tảng nhà máy hiện đại

Chất lượng của toàn bộ kết cấu nhà khung thép được quyết định bởi năng lực của nhà máy sản xuất kết cấu thép. Một quy trình sản xuất được kiểm soát chặt chẽ là nền tảng cho một công trình bền vững.

Hiểu rõ tầm quan trọng chiến lược này, CEO của FDI Care đã quyết định đầu tư cổ phần vào một trong những nhà máy sản xuất kết cấu thép có công nghệ hiện đại và quy mô hàng đầu tại miền Bắc. Sự đầu tư này cho phép chúng tôi kiểm soát chất lượng từ gốc, đảm bảo mỗi cấu kiện khi xuất xưởng đều đáp ứng các tiêu chuẩn kết cấu thép khắt khe nhất. Quy trình sản xuất chuyên nghiệp và việc làm chủ công nghệ giúp loại bỏ các chi phí trung gian, mang lại một báo giá cạnh tranh cùng cam kết về tiến độ chính xác cho mọi dự án kết cấu thép nhà công nghiệp.