Thiết kế kết cấu là gì? Quy trình và các bước thiết kế từ A-Z

Thiết kế kết cấu được biết đến là một trong những bước rất quan trọng, đó là một quá trình tạo ra kết cấu hoặc cấu trục cho một công trình xây dựng. Vậy thiết kế kết cấu là gì?  Quy trình thiết kế bản vẽ kết cấu như thế nào? Các loại kết cấu trong xây dựng ra sao? Tất cả sẽ được UTC giải đáp đến bạn trong nội dung dưới đây của bài viết. 

Thiết kế kết cấu là gì? 

Thiết kế kết cấu là một quá trình thiết kế các phần khung của công trình, trong đó sẽ bao gồm phần cấu trúc, hệ thống hỗ trợ để đảm bảo sao cho công trình được ổn định và an toàn nhất. Thiết kế kết cấu sẽ được thực hiện bởi các kỹ sư xây dựng, sử dụng các phương pháp tính toán, các phần mềm mô phỏng để đảm bảo tính ổn định và an toàn cho công trình.

Dựa vào hồ sơ thiết kế kiến trúc, các kỹ sư thiết kế sẽ có nhiệm vụ tính toán, triển khai các phương án và chi tiết tổng thể tất cả các cấu kiện liên quan tới công trình như móng, cột, dầm, sàn, cầu thang, bể nước,…

Trong thiết kế kết cấu thì cần phải lưu ý một số yếu tố cơ bản bao gồm: 

• Tải trọng là lực tác động trực tiếp lên công trình, nó sẽ bao gồm tải trọng tự trọng và tải trọng sống. 
• Các loại vật liệu được sử dụng trong thiết kế kết cấu phải đảm bảo được tính cơ học và đồ bền để có thể đảm bảo đáp ứng tốt nhất các yêu cầu của công trình. 
• Độ an toàn là một trong những yếu tố tiên quyết và rất quan trọng trong thiết kế kết cấu công trình để đảm bảo rằng công trình thiết kế sẽ chịu được các lực tác động lớn hơn so với tải trọng được thiết kế. 
• Các phương pháp tính toán sẽ được sử dụng để tính toán các lực tác động lên các vị trí và sức chịu đựng của công trình. 

Một số loại kết cấu trong xây dựng

Trong xây dựng thì kết cấu là một trong những phần đóng vai trò hết sức quan trọng, các loại kết cấu trong xây dựng có thể sẽ được chia và phân loại theo rất nhiều cách khác nhau. Tuy nhiên, những loại kết cấu trình thường sẽ được chia thành những nhóm sau đây: 

• Kết cấu khung: Đây là loại kết cấu được xây dựng bằng các thanh thép hoặc bê tông được ghép nối lại với nhau để tạo thành một khung chịu tải. Loại kết cấu này thường được sử dụng trong những công trình cao tầng, trung tâm thương mại, các công trình công nghiệp,…
• Kết cấu móng: Đây là một kết cấu được đặt ở phần dưới cùng của một công trình, nó có chức năng là chịu tải và truyền tải trọng của toàn bộ phần trên của công trình xuống đất. Các kết cấu móng thường được sử dụng gồm móng băng, móng đơn, móng đôi,..
• Kết cấu sàn: Một loại kết cấu nằm ngang, là khu vực bao phủ toàn bộ khu vực của tầng trên cùng của một công trình. Loại kết cấu này thường sẽ được xây dựng bằng thép, gỗ, bê tông và nó sẽ có chức năng chịu tải và cung cấp một mặt phẳng cho những hoạt động phía trên sàn. 
• Kết cấu vách: Kết cấu này được xây dựng dọc theo phía cạnh của công trình, nó có chức năng chịu tải và bảo vệ công trình khỏi những yếu tố tác động từ bên ngoài. Kết cấu vách thường sẽ bao gồm vách gạch, vách bê tông,…
• Kết cấu mái: Kết cấu này nằm ở phía trên cùng của công trình, nó có chức năng giúp bảo vệ công trình khỏi những yếu tố, những tác nhân từ môi trường như nắng, mưa,… Loại kết cấu này thường sẽ được xây dựng bằng bê tông, gỗ và có thể được thiết kế theo rất nhiều hình dạng khác nhau. 

Quy trình thiết kế bản vẽ kết cấu

Quá trình thiết kế kết cấu là một trong những quá trình khá phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao. Quá trình này sẽ bao gồm nhiều bước và cần sự tương tác rất chặt chẽ với nhiều bộ phận khác nhau trong quá trình thiết kế. Sau đây sẽ là quy trình thiết kế bản vẽ kết cấu thường được sử dụng trong các dự án xây dựng. 

• Đặc tả yêu cầu kết cấu: Đối với bước này, các yêu cầu phải được đặc tả một cách chi tiết và rõ ràng để làm sao đảm bảo tốt nhất, đáp ứng được các tiêu chí liên quan tới kỹ thuật, cũng như độ an toàn và tính kinh tế. Các yêu cầu này thường sẽ bao gồm mục đích sử dụng, tải trọng, kích thước, vật liệu, các tiêu chuẩn và quy định,…
• Thu thập dữ liệu và phân tích: Sau khi đã có những yêu cầu căn bản, các kỹ sư sẽ thu thập thông tin về dự án và sau đó sẽ tiến hành phân tích. Các thông tin sẽ bao gồm các loại vật liệu, hình dạng, kích thước, đặc tính cả các bộ phần kết cấu. Các kỹ sư sẽ sử dụng các phần mềm mô phỏng và tính toán để có thể dự đoán được hành vi của kết cấu trong nhiều trường hợp khác nhau. 
• Thiết kế ban đầu: Sau khi tiến hành các bước phân tích, các kỹ sư sẽ bắt đầu triển khai thiết kế ban đầu, bao gồm việc thiết kế các phần kết cấu và các bộ phận hỗ trợ. Trong bước này, kỹ sư sẽ tiến hành tính toán để đảm bảo rằng kết cấu có thể chịu được tải trọng và phân phối tải trọng một cách hợp lý nhất. 
• Kiểm tra thiết kế: Sau khi đã đưa ra được bản thiết kế ban đầu, các kỹ sư sẽ tiến hành kiểm tra và đánh giá lại bản thiết kế. Việc kiểm tra và đánh giá sẽ bao gồm những yếu tố như độ an toàn, khả năng chịu tải, độ bền,…

Các bước thiết kế kết cấu nhà dân dụng

Nội dung bên trên sẽ là quy trình thiết kế kết cấu với các bước chung cho các dự án. Nội dung dưới đây sẽ là các bước chi tiết về thiết kế kết cấu nhà dân dụng mà bạn có thể tham khảo. Các bước thiết kế kết cấu nhà dân dụng sẽ bao gồm các bước như sau: 

• Bước 1: Khảo sát và thu thập dữ liệu. 
• Bước 2: Lập nhiệm vụ thiết kế. 
• Bước 3: Tính toán tải trọng.
• Bước 4: Chọn sơ bộ kích thước các cấu kiện của hệ thống chịu lực.
• Bước 5: Lập mô hình kết cấu và kiểm tra. 
• Bước 6: Thiết kế cột, dầm, sàn, vách.
• Bước 7: Thiết kế móng. 
• Bước 8: Thuyết minh tính toán kết cấu. 
• Bước 9: Thông tin ghi chú
• Bước 10: Hồ sơ thiết kế kết cấu

Chi tiết các bước thiết kế kết cấu nhà dân dụng như sau: 

Bước 1: Tiến hành khảo sát và thu thập dữ liệu

Một trong những bước đầu tiên trong quy trình thiết kế kết cấu nhà dân dụng đó là khảo sát hiện trạng và thu thập thêm thông tin. Các kỹ sư sẽ bắt đầu tiến hành khảo sát địa điểm xây dựng, nắm bắt được diện tích, khí hậu, địa chất,… nơi công trình chuẩn bị triển khai. 

Ngoài ra, kỹ sư sẽ trao đổi trực tiếp với chủ đầu tư để nắm bắt được nhu cầu, sở thích và những yêu cầu về mặt thiết kế kết cấu của ngôi nhà. Phần địa chất cần xác định mực nước ngầm và môi trường ăn mòn và loại xi măng nào phù hợp với địa hình, địa chất nơi triển khai. 

Cần khảo sát để xác định được vị trí đặt các thiết bị, máy móc và đánh giá được công nghệ nào sẽ sử dụng trong thi công. 

Bước 2: Lập nhiệm vụ thiết kế

Với những thông tin đã thu thập được ở bước 1, các kỹ sư sẽ tiến hành lập nhiệm vụ thiết kế kết cấu. Những nhiệm vụ phải kể đến như:

•  Mục đích, yêu cầu thiết kế.
• Các thông số kỹ thuật liên quan tới công trình. 
• Yêu cầu về thẩm mỹ, phong thuỷ công trình. 

Bước 3: Tính tải trọng dự án

Sau khi đã có nhiệm vụ thiết kế, bước tiếp theo sẽ tiến hành tính toán tải trọng. Quá trình tính toán sẽ bao gồm những phần sau: 

• Tính toán tải trọng ngang: Liên quan tới tải trọng gió và tải trọng động đất. 
• Tính toán thông số tải trọng đứng: Tải trọng đứng sẽ bao gồm trọng lượng của công trình, tĩnh tải sàn, tĩnh tải mái, vách ngăn, tải trọng tương, hoạt tải sàn và hoạt tải mái. 

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

Dựa trên cơ sở các thông số đã được tính toán ở phần tải trọng thì các kỹ sư sẽ sẽ tiến hành chọn sơ bộ kích thước các cấu kiện của hệ thống chịu lực. Trong quá trình thiết kế kết cấu nhà dân dụng thì đây là một trong những bước vô cùng quan trọng. 

Các phần kích thước tiết diện sơ bộ sẽ được xác định và tính toán dựa trên các yếu tố như:

• Tải trọng tác dụng lên phần cấu kiện của công trình. 
• Cường độ chịu lực của các vật liệu. 
• Kích thước nhịp của cấu kiện. 
• Loại kết cấu và yêu cầu về mặt thẩm mỹ. 

Bước 5:  Lập mô hình kết cấu và kiểm tra

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

• Trên cơ sở tiết diện sơ bộ đã chọn ở trên, các kỹ sư sẽ tiến hành lập mô hình kết cấu. Mô hình này sẽ được xây dựng bằng phần mềm phân tích kết cấu. 
• Các kỹ sư sẽ tiến hành xác định vật liệu cho cấu kiện, phần tải trọng tác động và xây dựng các tổ hợp tải trọng để đảm bảo sao cho mô hình phản ánh đầy đủ nhất các yếu tố ảnh hưởng tới công trình. 
• Xác định cụ thể tiết điện của cầm và các cột cho các tầng, cũng như phần tiết diện của phần sàn và phần vách cho từng cấp độ. 
• Gán các loại tiết diện cho mỗi cấu kiện tương ứng và áp dụng phần tải trọng đứng và trong mô hình kết cấu. 
• Thực hiện đầy đủ các bước kiểm tra sau mỗi thao tác được thực hiện để đảm bảo nhất về độ chính xác và tính đồng nhất của mô hình kết cấu. 
• Kiểm tra mô hình thường xuyên sau mỗi thay đổi để đảm bảo rằng mỗi thay đổi đó đều phải đáp ứng đúng yêu cầu và điều kiện đã đặt ra trước đó. 
• Áp dụng thực hiện các bước kiểm tra chéo, rà soát kỹ sau mỗi lần chạy để phát hiện lỗi, sửa chữa bất kỳ những lỗi nào xuất hiện trong quá trình phân tích. 
• Tính toán sơ bộ, chọn lại tiết diện nếu cần. 
• Kiểm tra phần chuyển vị, momen xoắn của các tầng ở trên cùng, phần các mode cơ bản và chu kỳ T để đảm bảo các thông số phù hợp theo yêu cầu. 
• Thử nghiệm thiết kế và lựa chọn lại phần tiết diện của dầm để đáp ứng theo các yêu cầu của kết cấu. 
• Kiểm tra lại tất cả những sai sót có thể xuất hiện trong quá trình lập mô hình, bao gồm tất cả  các phần như tải trọng, tiết diện, mode cơ bản, kiến trúc, chu kỳ T và sàn. 

Bước 6: Thiết kế cột, dầm, sàn, vách

Các phần cấu kiện cột, dầm, sàn, vách phải được thiết kế đảm bảo thật tốt về khả năng chịu lực, độ ổn định, cũng như tính thẩm mỹ của công trình. 

• Cần xuất dữ liệu nội lực theo các tổ hợp: Trong quá trình thiết kế kết cấu, ta cần phải xuất dữ liệu nội lực theo các tổ hợp tải trọng tĩnh, tải trọng động, tải trọng bất thường để đánh giá hiệu suất và sự ổn định của kết cấu. 
• Kiểm tra các vị trí điển hình, vị trí kết cấu nghi ngờ: Phải kiểm tra tính hợp lý của các dữ liệu, đặc biệt các khu vực vị trí chịu tải trọng lớn và những phần kết cấu có thể gây nghi ngờ để đảm bảo về tính chính xác và đồng nhất. 
• Kiểm tra dữ liệu chuyển vị, lực dọc, xoắn so với tính sơ bộ: Quá trình kiểm tra này nhằm đảm bảo tính đồng nhất và chính xác của dữ liệu
• Lập bảng tính chi tiết cho dầm, cột, sàn: Với phần này thì các thông số quan trọng bao gồm kích thước, hàm lượng thép và một số những yếu tố khác liên quan tới việc thiết kế kết cấu. 
• Kiểm tra hàm lượng cốt thép cho phần dầm, cột và sàn: Cần kiểm tra hàm lượng cốt thép trong các cấu kiện để đảm bảo sao cho hàm lượng cốt thép phù hợp với yêu cầu thiết kế. Đối với những công trình được thiết kế kháng chấn thì hàm lượng cốt thép cần phải được kiểm tra theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 5574-2018.
• Độ lớn đường kính của cốt thép chịu lực sàn theo tiêu chuẩn ACI: Cần đảm bảo rằng phần đường kính cốt thép chịu lực của sàn phải không được vượt quá h/10. Trong đó h là chiều dày của sàn theo quy định của tiêu chuẩn ACI. 

Bước 7: Thiết kế móng

Dựa vào một số thông tin như điều kiện về địa chất, thuỷ văn, xác định phương án móng phù hợp nhất để có thể đảm bảo độ an toàn, cũng như tính ổn định cho công trình. Các phương án móng cho nhà dân dụng thường sẽ bao gồm móng cọc, móng đơn và móng băng. 

Cần phải xác định mực nước ngầm và áp lực của mực nước ngầm khi đào sâu, để đảm bảo được tính ổn định cho phần móng. Mực nước ở phần móng càng cao thì sẽ càng gây ảnh hưởng tới thiết kế móng. 

Tiếp theo cần thực hiện các bước tính toán cho phần móng của công trình và kiểm tra hàm lượng thép để đảm bảo tính ổn định và độ an toàn cho phần móng. 

Bước 8: Thuyết minh tính toán kết cấu

Đối với bảng thuyết minh kết cấu sẽ có một số nội dung như sau: 

• Giải thích các tiêu chuẩn và các loại vật liệu áp dụng: Trong phần này chúng ta cần phải giải thích chi tiết về các tiêu chuẩn được áp dụng trong công trình được áp dụng vào trong bản thiết kế, cũng như các loại vật liệu được sử dụng. Tất cả các tiêu chuẩn đều phải tuân thủ theo tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế. 
• Thuyết minh về phần tải trọng: Phần này chúng ta cần phải đặc biệt chú trọng vào việc đảm bảo tính chất đồng nhất của mô hình kết cấu theo các vị trí và các giá trị khác nhau. Đảm bảo rằng tải trọng được mô tả phù hợp với các tiêu chuẩn về tải trọng. 
• Thuyết minh về nội lực: Ở phần này sẽ bao gồm bảng tính toán dầm, cột và sàn. Điều này sẽ bao gồm việc đảm bảo rằng nội lực ở trong phần thuyết minh sẽ được đồng nhất với phần nội lực trong mô hình kết cấu. Hàm lượng thép cũng được đảm bảo đúng và tuân thủ theo các yêu cầu, tiêu chuẩn kỹ thuật. 
• Thuyết minh phần tính toán móng: Phần này sẽ giải thích cho quá trình tính toán phần móng và đảm bảo việc sử dụng dữ liệu cũng phải được đồng nhất với mô hình kết cấu. Các thông số liên quan như cường độ, chuyển vị và độ ổn định cũng sẽ được mô tả và phân tích.

Bước 9: Thông tin ghi chú

Những thông tin về ghi chú sẽ được thêm vào trong quá trình thiết kế kết cấu và sẽ đảm bảo những yêu cầu: 

• Thoả mãn những yêu cầu tiêu chuẩn: Trong quá trình thực hiện tính kết cấu theo từng cấu kiện, cần đảm bảo tuân thủ mọi yêu cầu về những tiêu chuẩn liên quan tới cường độ, chuyển vị, tính ổn định và hàm lượng thép. Các khía cạnh của thiết kế đều đảm bảo đáp ứng đúng các tiêu chuẩn về an toàn và kỹ thuật. 
• Phần đầu và và đầu ra kỹ thuật chính xác: Các thông số về kỹ thuật chính là các dữ liệu được sử dụng trong thiết kế kết cấu. Những thông số này cần phải có đầu vào và đầu ra một cách rõ ràng để đảm bảo tính khả thi và chính xác của kết quả thiết kế. Nguồn trích dẫn phải có cơ là là tài liệu hoặc những tiêu chuẩn phổ biến để đảm bảo tính tin cậy. 

Bước 10: Hồ sơ thiết kế kết cấu

Một bộ hồ sơ thiết kế kết cấu dân dụng sẽ bao gồm những loại bản vẽ nào? Hãy cùng chúng tôi tiếp tục theo dõi. 

• Bản vẽ kiến trúc: Trong bản vẽ này sẽ bao gồm những mục như mặt bằng tổng thể, mặt bằng các tầng, mặt đứng chính, mặt đứng bên, mặt cắt chi tiết, bản vẽ chi tiết về cầu thang, lan can, nhà vệ sinh, ban công, bản vẽ chi tiết phòng khách, phòng ngủ, nhà bếp,…
• Bản vẽ kết cấu: Bản vẽ này sẽ bao gồm mặt bằng định vị lưới cột – bố trí cọc, mặt bằng kết cấu các tầng, chi tiết móng – dầm móng, chi tiết cầu thang và mặt cắt dầm, sàn, mái. 
• Bản vẽ kỹ thuật điện nước, lắp đặt hệ thống mạng: Sẽ bao gồm sơ đồ hệ thống điện công trình, mặt bằng bố trí điện các tầng – Điện trang trí và cầu thang, hệ thống báo cháy, lắp đặt cột chống sét, camera giám sát, sơ đồ hệ thống cấp thoát nước của các tầng. 

Vậy thiết kế kết cấu là gì? Quy trình thiết kế bản vẽ kết cấu và các bước triển khai đã được chúng tôi giới thiệu đến bạn trong nội dung phía trên của bài viết. Hy vọng, với những thông tin trên phần nào giúp ích cho bạn. Mọi thắc mắc bạn có thể liên hệ trực tiếp với chúng tôi, hoặc để lại thông tin dưới phần bình luận. 

CÔNG TY TNHH CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG UNLIMITED

Địa chỉ: Roman Plaza, số 14 Tố Hữu, Đại Mỗ, Nam Từ Liêm, Hà Nội

Website: https://sanphangutc.vn/

Hotline: 0968.876.368

Email: Unlimited.utc@gmail.com