Danh sách vật liệu dự án giàn mái thép Peru và phân tích tải trọng kết cấu

Dự án giàn mái thép Huachipa, Lima - Danh sách vật liệu & Phân tích tải trọng kết cấu

 

 

Dự án này tọa lạc tại Huachipa, Lima, Peru, tập trung thiết kế và thi công hệ thống kèo mái thép (không bao gồm cột thép và cấu kiện tường). Mái nhà được trang bị các tấm pin mặt trời và thiết kế tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn xây dựng địa phương của Peru. Các thông số chính của dự án được tóm tắt như sau:

Tổng diện tích xây dựng: 8.900 ㎡

Tổng chiều dài: 109 m

Tổng chiều rộng: 85 m (bố trí không đều với nhiều nhịp)

Kích thước nhịp (dọc theo hướng 85m, nhịp không đều nhau): 13m, 17m, 25m, 28m (nhịp tối đa: 28m)

Khoảng cách giàn (Khoảng cách vịnh): Khoảng 22m

Cấu hình mái nhà: Được trang bị khoảng 4.400 ㎡ tấm pin mặt trời (hệ thống quang điện)

Phạm vi kết cấu: Chỉ hệ thống kèo mái (kèo, giằng, giằng, xà gồ), không bao gồm cột thép và khung tường

Mã áp dụng: Mã xây dựng địa phương của Peru

 

 

Phân tích tải trọng dựa trên điều kiện môi trường thực tế của Huachipa, Lima và tuân thủ nghiêm ngặt các mã Peru E.030 (Mã địa chấn), E.050 (Mã tải trọng gió) và E.070 (Mã tải trọng tuyết). Tất cả các tải trọng được tính toán theo mức độ quan trọng của công trình công nghiệp (hệ số quan trọng U=1.0).

 

 

Huachipa, Lima nằm trong Vùng địa chấn 4 của Peru, là khu vực có-cường độ địa chấn cao. Các thông số địa chấn cụ thể như sau:

Vùng địa chấn: Vùng 4, Z=0.45g (gia tốc mặt đất cực đại)

Loại đất tại khu vực: S1 (đất cứng), hệ số khu vực S=1.0

Tác động địa chấn: Hệ thống kèo mái yêu cầu đủ độ cứng địa chấn để chống lại lực địa chấn ngang. Các kết nối giàn và hệ thống giằng phải được thiết kế thận trọng để đảm bảo ổn định kết cấu dưới tác động địa chấn.

 

 

Lima là một thành phố ven biển và khu vực Huachipa chịu ảnh hưởng của gió ven biển. Các thông số tải trọng gió được xác định như sau:

Áp suất gió cơ bản: 0,55–0,65 kN/㎡

Hiệu ứng gió: Các tấm pin mặt trời trên mái nhà làm tăng hiệu ứng hút gió và rung gió. Hệ số hình dạng của mái nhà được khuếch đại một cách thích hợp để tính đến tác động của các tấm pin mặt trời đến sự phân bổ tải trọng gió.

Yêu cầu về khả năng chống gió: Hệ thống kèo, xà gồ, giằng mái phải có khả năng chịu được sức hút của gió và áp lực gió dương, đảm bảo không hư hỏng kết cấu hoặc biến dạng quá mức.

 

 

Huachipa, Lima có khí hậu ven biển nhiệt đới không có tuyết rơi quanh năm. Do đó, tải trọng tuyết cơ bản được xác định như sau:

Tải tuyết cơ bản S₀: ≈ 0 kN/㎡

Lưu ý: Tải trọng tuyết bổ sung không được xem xét trong thiết kế kết cấu, nhưng hệ thống thoát nước trên mái được thiết kế để ngăn nước tích tụ (tương đương với tải đồng đều một phần).

 

 

Tổng tải mái là tổng của tĩnh tải, tải tấm pin mặt trời và hoạt tải, cao hơn đáng kể so với các nhà xưởng công nghiệp thông thường. Cách tính cụ thể như sau:

Tải trọng mái (trọng lượng bản thân của mái + xà gồ): ≈ 0,30 kN/㎡

Tải tấm pin mặt trời (tấm pin mặt trời + giá đỡ): ≈ 0,18–0,22 kN/㎡

Tải trọng bảo trì: 0,50 kN/㎡ (phù hợp với tiêu chuẩn xây dựng công nghiệp của Peru)

Tổng tải trọng mái: ≈ 0,98–1,02 kN/㎡

Lưu ý: Độ võng của kèo mái và xà gồ phải được kiểm soát trong phạm vi L/200 (L là nhịp kèo hoặc xà gồ) để đảm bảo sự ổn định cho hệ thống pin năng lượng mặt trời.

 

Việc lựa chọn vật liệu dựa trên các tiêu chuẩn thép địa phương của Peru và các yêu cầu về tải trọng của dự án, tập trung vào độ bền, hiệu suất địa chấn và hiệu quả-chi phí. Danh sách vật liệu chi tiết như sau:

 

 

Mác thép: Tiêu chuẩn Trung Quốc Q355B/Q235B (tương đương A36 trong tiêu chuẩn ASTM), có độ bền và độ dẻo tốt, thích hợp cho khu vực có động đất cao.

Loại phần:

Hợp âm trên & Hợp âm dưới: Thép tiết diện H- - được chọn theo nhịp và tải trọng, với phạm vi kích thước tiết diện: H300×150×6×8 đến H400×200×8×10 (được điều chỉnh dựa trên các nhịp khác nhau: 13m/17m/25m/28m).

Thành viên Web: Thép góc hoặc thép hình I-có kích thước mặt cắt -: L75×5 đến L100×8 (đối với nhịp 13m/17m); L100×8 đến L125×10 (đối với nhịp 25m/28m).

Phương thức kết nối: Bu lông cường độ-cao (cấp 10,9) để kết nối, đảm bảo kết nối đáng tin cậy và khả năng chống địa chấn.

Xử lý: Bằng sơn lót giàu Epoxy kẽm- dày 80μm

 

 

Lớp thép: Tiêu chuẩn Trung Quốc Q235B

Loại mặt cắt: Thép tròn (φ16–φ22) hoặc thép góc (L63×5–L80×6), dùng để chống các lực ngang (địa chấn, gió) và duy trì sự ổn định của hệ giàn.

Bố trí: Thanh giằng được đặt cách nhau 2–3 giàn, với thanh giằng chéo và giằng chéo được bố trí xen kẽ để tạo thành hệ thống chịu lực ngang ổn định-.

Xử lý: Bằng sơn lót giàu Epoxy kẽm- dày 80μm

 

 

Lớp thép: Tiêu chuẩn Trung Quốc Q235B

Loại mặt cắt: Thép tròn (φ20–φ25) hoặc ống thép (φ89×4–φ114×4), dùng để truyền lực căng ngang giữa các vì kèo và đảm bảo sự ổn định tổng thể của mái nhà.

Xử lý: Bằng sơn lót giàu Epoxy kẽm- dày 80μm

 

 

Lớp thép: Tiêu chuẩn Trung Quốc Q235B

Loại mặt cắt: Thép tiết diện C- hoặc thép tiết diện Z- (loại được gia cố, phù hợp với tải trọng của tấm năng lượng mặt trời), phạm vi kích thước tiết diện: C160×60×20×2,5 đến C220×70×20×3.0 (được điều chỉnh theo khoảng cách xà gồ và tải trọng của tấm pin mặt trời).

Khoảng cách: Khoảng 1,5–2,0m, đảm bảo xà gồ có thể chịu được tải trọng tổng hợp của mái che và tấm pin mặt trời mà không bị biến dạng quá mức.

Xử lý: Mạ kẽm 275kg/m³

 

 

Bu lông cường độ-cao: cấp 10,9, phù hợp với kích thước tiết diện của giàn và giằng, được xử lý-chống ăn mòn (mạ kẽm nhúng nóng-).

Vít-tự khai thác & Đinh tán: Thép không gỉ-chống ăn mòn (cấp 304), dùng để kết nối xà gồ và mái che cũng như giá đỡ tấm năng lượng mặt trời.

Lớp phủ chống ăn mòn:-mạ kẽm nhúng nóng (độ dày lớp kẽm lớn hơn hoặc bằng 80μm) cho tất cả các thành phần thép, để thích ứng với môi trường ẩm ướt ven biển của Lima và đảm bảo tuổi thọ sử dụng.

 

Dựa trên các thông số của dự án, phân tích tải trọng và lựa chọn vật liệu, mức tiêu thụ thép của hệ thống giàn mái (chỉ) được ước tính như sau, có tính đến các yêu cầu địa chấn cao của Huachipa, Lima và tải trọng bổ sung của các tấm pin mặt trời.

 

 

Kết hợp với các điều kiện nhịp tối đa 28m, khoảng cách giàn 22m, tải trọng lớn của tấm pin mặt trời và cường độ địa chấn cao ở Lima, chỉ số tiêu hao thép của hệ giàn mái được xác định như sau:

Giàn mái + giằng + thanh giằng: 18–22 kg/㎡

Xà gồ mái (loại gia cố): 8–11 kg/㎡

Tổng chỉ số tiêu thụ thép: 26–33 kg/㎡ (áp dụng giá trị trên-trung bình bảo thủ là 30 kg/㎡ để ước tính, phù hợp với yêu cầu của bộ luật Peru)

 

 

Tổng lượng thép tiêu thụ=Tổng diện tích xây dựng × Chỉ số tiêu thụ thép 1000

Tính toán: 8.900 ㎡ × 30 kg/㎡ ÷ 1000=267 tấn

 

 

Thiết kế tối ưu hóa tiết kiệm (tải nhẹ, tối ưu hóa tinh tế): ≈ 230 tấn

Thiết kế Bảo thủ Thông thường (tuân thủ các quy định của Peru và các yêu cầu về địa chấn của Lima): ≈ 265–270 tấn

Tải trọng cao / Địa chấn cao / Thiết kế nhịp lớn{0}}nghiêm ngặt: ≈ 290 tấn

 

 

Lượng thép tiêu hao trên chỉ bao gồm hệ thống kèo mái (kèo, giằng, giằng, xà gồ), chưa bao gồm cột thép, khung tường, cột đỡ pin năng lượng mặt trời.

Nếu thêm cột thép, tổng lượng thép tiêu thụ sẽ tăng thêm 10–13 kg/㎡ và tổng lượng thép tiêu thụ sẽ vào khoảng 340–400 tấn.

Lượng thép tiêu thụ thực tế có thể dao động ±10% sau khi hoàn thành thiết kế chi tiết, điều này chủ yếu bị ảnh hưởng bởi việc điều chỉnh chi tiết kích thước mặt cắt và phương pháp kết nối.

Thiết kế chống động đất: Hệ thống kèo trên mái phải được thiết kế phù hợp với Bộ luật Peru E.030 (Vùng địa chấn 4) và không được phép tối ưu hóa quá mức để đảm bảo an toàn địa chấn.

Tải trọng tấm pin mặt trời: Các xà gồ và dàn kèo trên cùng trong khu vực tấm pin mặt trời phải được gia cố, kiểm soát độ lệch phải chặt chẽ hơn (trong phạm vi L/200) để tránh làm hỏng hệ thống pin mặt trời.

Yêu cầu-chống ăn mòn: Tốt hơn hết là tất cả các thành phần thép nên được mạ kẽm nhúng nóng-để thích ứng với môi trường ẩm ướt ven biển của Lima và kéo dài tuổi thọ sử dụng của kết cấu.

Tuân thủ Quy tắc: Tất cả công việc thiết kế và xây dựng phải tuân thủ các quy tắc địa phương của Peru RNE / E.030, E.050, E.070 và các tiêu chuẩn công nghiệp liên quan.

 

 

Lượng tiêu hao thép chi tiết được chia theo 4 nhịp không bằng nhau (13m, 17m, 25m, 28m), kết hợp với khoảng cách giàn 22m và tải trọng tấm pin mặt trời, chỉ số tiêu hao thép được điều chỉnh theo kích thước nhịp (nhịp càng lớn thì chỉ số càng cao). Phân tích cụ thể như sau:

Kích thước nhịp	Chiều dài nhịp (m)	Diện tích tương ứng (xấp xỉ, ㎡)	Chỉ số tiêu thụ thép (kg/㎡)	Tiêu thụ thép ước tính (tấn)	Bình luận
Nhịp thứ nhất	13	2400	25	60	Nhịp nhỏ nhất, tải nhẹ nhất; phủ sóng một phần tấm pin mặt trời
Khoảng thứ 2	17	2450	28	68.6	Nhịp trung bình, tải trọng vừa phải; phủ sóng một phần tấm pin mặt trời
Khoảng thứ 3	25	2250	32	72	Nhịp lớn, tải nặng; khu vực phủ sóng của tấm pin mặt trời chính
Nhịp thứ 4	28	1800	35	63	Nhịp tối đa, tải nặng nhất; khu vực phủ sóng của tấm pin mặt trời chính
Tổng cộng	83 (tổng nhịp)	8900 (tổng diện tích xây dựng)	30 (chỉ số trung bình)	263.6	Độ lệch nhỏ so với tổng ước tính (±2%) do làm tròn

Lưu ý: Diện tích tương ứng của mỗi nhịp được ước tính dựa trên tổng diện tích 8900 ㎡ và tỷ lệ của từng nhịp trong tổng chiều rộng (85m), chỉ mang tính chất tham khảo. Diện tích thực tế và lượng thép tiêu thụ phải theo bản vẽ thiết kế chi tiết.

 

Dầm mái chính chính (Phần H)

- W200×750×12×6 mm

- W250×750×25×6 mm

- W350×750×25×9 mm

- W200×400×16×6 mm

 

Thành viên phụ

- Xà gồ: Z305×76×19×3.0 mm

- Thanh giằng ngang/bên: góc thép 2"×2"×3/16"

 

 

2.1 Kết cấu mái chính

- Hệ thống giàn:

18–22 kg/m2 → **160,2 – 195,8 tấn**

- Hệ thống dầm chữ H (đoạn sâu, khoảng cách 22m, tải quang điện):

24–30 kg/m2 → **213,6 – 267,0 tấn**

 

2.2 Hệ thống giằng

- Giàn:

2,5–4,0 kg/m2 → **22,3 – 35,6 tấn**

- Tia chữ H:

3,5–5,0 kg/m2 → **31,2 – 44,5 tấn**

*Lý do: Dầm chữ H có độ cứng xoắn tự nhiên kém hơn; cần giằng nhiều hơn.*

 

2.3 xà gồ

- Cả hai hệ thống:

Xà gồ Z305, cùng tải trọng và khoảng cách

8–11 kg/m2 → **71,2 – 97,9 tấn**

*Gần giống nhau đối với cả mái giàn và mái dầm chữ H.*

 

2.4 So sánh tổng trọng lượng thép

- Tổng mái giàn:

254 – 329 tấn

-Tổng cộng mái dầm chữ H:

316 – 409 tấn

 

 

3.1 Hệ thống giàn

- Hành vi: Lực dọc trục hình tam giác (chỉ kéo/nén).

- Độ cứng: Độ cứng hình học cao, tốt cho các nhịp dài và kiểm soát độ lệch (quan trọng đối với PV).

- Tính ổn định: Ít phụ thuộc vào hệ giằng; sự ổn định vốn có từ mô hình tam giác.

- Hiệu suất địa chấn: Tiêu tán năng lượng tốt, trọng lượng nhẹ, quán tính thấp hơn.

- Hiệu suất nhịp: Cực kỳ hiệu quả cho ** nhịp 25–28m**.

 

3.2 Hệ thống chùm tia H

- Hành vi: Lực uốn + lực cắt + lực dọc trục.

- Độ cứng: Hiệu suất uốn trên mỗi kg thấp hơn; các phần sâu hơn/nặng hơn cần thiết để phù hợp với độ lệch của giàn.

- Tính ổn định: Dễ bị oằn xoắn sang một bên; đòi hỏi phải giằng thường xuyên hơn.

- Hiệu suất địa chấn: Trọng lượng bản thân cao hơn làm tăng nhu cầu địa chấn.

- Khả năng xây dựng: Chế tạo và lắp đặt đơn giản hơn nhưng các bộ phận nặng hơn.

 

 

 

Điểm tương đồng

- Cả hai đều hỗ trợ tải trọng mái như nhau (chết + PV + trực tiếp + gió).

- Kích thước, khoảng cách và trọng lượng xà gồ giống hệt nhau.

- Cả hai đều phải đáp ứng giới hạn độ võng của Peru (L/200 đối với PV).

- Cả hai đều theo E.030, E.050, E.070 cho Huachipa, Lima.

 

Sự khác biệt

1. Cơ chế cưỡng bức:

- Giàn: Chỉ có lực dọc trục → hiệu quả cao.

- Dầm chữ H: Kiểm soát uốn → kém tiết kiệm vật liệu hơn.

2. Tiêu thụ thép:

- Kết cấu chính: Dầm chữ H sử dụng thép +25% đến +40%.

- Thanh giằng: Thanh giằng chữ H cần thêm thanh giằng từ +30% đến +40%.

- Xà gồ: Gần giống nhau.

3. Hiệu suất nhịp:

- Giàn: Cao cấp cho nhịp 25–28m.

- Dầm chữ H: Yêu cầu các tiết diện nặng để kiểm soát độ võng.

4. Hành vi địa chấn:

- Giàn: Nhẹ hơn, quán tính thấp hơn, hiệu suất tốt hơn ở Vùng 4.

- Dầm chữ H: Tải trọng địa chấn nặng hơn, cao hơn.

5. Chi phí & thi công:

- Giàn: Nhiều nhân công hơn, ít vật liệu hơn.

- Dầm chữ H: Ít nhân công hơn, nhiều vật liệu hơn.

 

 

- Hệ thống giàn:

Hiệu quả hơn, sử dụng thép nhẹ hơn, tốt hơn cho các nhịp dài và vùng địa chấn cao.

Tổng lượng thép: 254 – 329 tấn.

 

-Hệ thống tia H:

Xây dựng dễ dàng hơn nhưng nặng hơn đáng kể.

Tổng lượng thép: 316 – 409 tấn.