Hai nhà xưởng có cùng diện tích là 5.000 m2, cùng là kết cấu thép; nhưng khi bóc tách khối lượng lại có thể cho ra những con số rất khác nhau. Vậy phía sau sự chênh lệch đó là gì?
Bởi cùng diện tích không có nghĩa hai công trình có cùng yêu cầu về kết cấu. Công năng, kích thước, chiều cao và tải trọng có thể khác nhau, kéo theo sự khác biệt trong thiết kế và khối lượng thép.
1. Công năng sử dụng khác nhau
Diện tích cho biết quy mô mặt bằng, nhưng không cho biết nhà xưởng sẽ được sử dụng như thế nào. Một kho hàng, xưởng sản xuất, khu lắp ráp hay nhà xưởng có cẩu trục có thể cùng diện tích nhưng đặt ra những yêu cầu hoàn toàn khác nhau đối với hệ kết cấu.
Chẳng hạn, nhà xưởng sản xuất có thể phải bố trí máy móc, dây chuyền hoặc khu vực vận hành đặc thù; trong khi kho hàng lại cần đáp ứng tải trọng hàng hóa và yêu cầu về không gian lưu trữ.
Như vậy, công năng không trực tiếp quyết định “bao nhiêu tấn thép”, mà tạo ra các yêu cầu về không gian, thiết bị và tải trọng để từ đó kỹ sư xác định phương án kết cấu phù hợp.
2. Cùng diện tích nhưng hình dạng và khẩu độ có thể khác nhau
Đây là một điểm dễ bị bỏ qua khi chỉ nhìn vào số m2.
Ví dụ, cùng 5.000 m2 nhưng một nhà xưởng có mặt bằng 50 x 100 m, trong khi công trình khác có thể bố trí theo kích thước 40 x 125 m. Diện tích giống nhau nhưng hình học công trình, khẩu độ và cách bố trí hệ khung có thể không giống nhau.
Khẩu độ là khoảng cách giữa các cột theo phương ngang nhà, còn bước cột là khoảng cách giữa các khung theo phương dọc nhà.
Khi khẩu độ thay đổi, các cấu kiện chính như cột và kèo phải đáp ứng yêu cầu chịu lực tương ứng. Bước cột cũng ảnh hưởng đến cách hệ khung tiếp nhận và truyền tải trọng.
Vì vậy, cùng diện tích không đồng nghĩa với cùng cách chia nhịp và cùng khối lượng kết cấu.
3. Chiều cao nhà xưởng cũng ảnh hưởng đến bài toán kết cấu
Hai công trình có cùng diện tích mặt bằng nhưng chiều cao khác nhau sẽ không làm việc trong cùng một điều kiện kết cấu.
Chiều cao ảnh hưởng đến độ ổn định của cột, chuyển vị và tác động của tải trọng gió. Khi công trình cao hơn, các yêu cầu về kiểm soát ổn định và biến dạng cũng cần được xem xét phù hợp trong thiết kế.
Đối với nhà xưởng có dây chuyền sản xuất lớn, thiết bị nâng hạ hoặc yêu cầu không gian sử dụng đặc thù, chiều cao thường phải được xác định dựa trên công năng thay vì chỉ dựa vào diện tích.
Do đó, chiều cao là một trong những thông số có thể làm thay đổi yêu cầu đối với hệ khung và khối lượng thép.
4. Tải trọng mà công trình phải chịu không giống nhau
Đây là yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn tiết diện và khả năng chịu lực của cấu kiện.
Ngoài tĩnh tải từ bản thân kết cấu và các lớp cấu tạo, công trình có thể phải chịu:
- Tải trọng sử dụng và hàng hóa.
- Tải trọng từ máy móc, thiết bị.
- Tải trọng cẩu trục và thiết bị nâng.
- Tải trọng gió theo vị trí và đặc điểm công trình.
- Các tải trọng động hoặc yêu cầu đặc thù khác.
Trong đó, cẩu trục là trường hợp đáng chú ý. Khi vận hành, hệ thống này không chỉ tạo tải trọng đứng lên kết cấu mà còn có thể phát sinh lực ngang và tác động động.
Khi tải trọng thiết kế thay đổi, yêu cầu về tiết diện, độ cứng và khả năng chịu lực của các cấu kiện cũng thay đổi theo. Đây là một trong những nguyên nhân khiến hai nhà xưởng cùng diện tích nhưng có thể sử dụng lượng thép khác nhau.
Từ những yếu tố trên, kỹ sư sẽ tính toán và lựa chọn phương án kết cấu phù hợp cho từng công trình. Trên cơ sở đó, các cấu kiện như khung chính, xà gồ, giằng và các cấu kiện liên quan được xác định về loại, tiết diện và số lượng. Đây là cơ sở để xác định khối lượng kết cấu thép cụ thể của công trình.
***Có thể lấy kg thép/m2 để tính nhanh không?
Có thể sử dụng kg thép/m2 như một chỉ số tham khảo ở giai đoạn sơ bộ, đặc biệt khi cần hình dung nhanh quy mô vật liệu hoặc lập dự toán ban đầu.
Tuy nhiên, không nên xem đây là một định mức cố định áp dụng cho mọi nhà xưởng.
Chỉ số kg thép/m2 có thể thay đổi theo nhiều điều kiện như khẩu độ, bước cột, chiều cao, tải trọng, trục, công năng và phương án kết cấu. Vì vậy, cùng một diện tích nhưng tỷ lệ kg thép/m2 của hai công trình vẫn có thể khác nhau.
Muốn xác định khối lượng sát với thực tế, cần dựa trên hồ sơ thiết kế và kết quả tính toán kết cấu cụ thể, thay vì chỉ lấy diện tích nhân với một định mức có sẵn.
Cùng diện tích chỉ có nghĩa là hai nhà xưởng có quy mô mặt bằng tương đương, không có nghĩa chúng có cùng yêu cầu về kết cấu.
Từ công năng, hình dạng mặt bằng, khẩu độ, bước cột, chiều cao đến tải trọng và phương án thiết kế, mỗi yếu tố đều có thể làm thay đổi cách hệ kết cấu làm việc và khối lượng thép cần sử dụng.
Vì vậy, khi đánh giá khối lượng kết cấu thép của một nhà xưởng, diện tích nên được xem là điểm xuất phát, không phải cơ sở duy nhất để đưa ra con số cuối cùng!