Hệ giằng trong kết cấu thép là gì? Vai trò và phân loại cần biết

Trong lĩnh vực xây dựng công nghiệp và dân dụng, kết cấu thép ngày càng được sử dụng rộng rãi nhờ ưu điểm về khả năng chịu lực, thi công nhanh và tính linh hoạt cao. Tuy nhiên, để một công trình kết cấu thép làm việc ổn định, an toàn và đúng với các giả thiết tính toán ban đầu, không thể thiếu vai trò của hệ giằng. Vậy hệ giằng trong kết cấu thép​ là gì? Khám phá ngay tất cả thông tin về hệ giằng trong bài viết này của Nam Vượng.

Hệ giằng trong kết cấu thép là gì?

Hệ giằng trong kết cấu thép là tập hợp các cấu kiện dạng thanh, thường được bố trí theo phương chéo hoặc phương dọc – ngang trong không gian công trình, nhằm liên kết các bộ phận chính của khung thép thành một hệ làm việc thống nhất. Các thanh giằng có thể chịu kéo, chịu nén hoặc làm việc luân phiên tùy theo trạng thái tải trọng tác động lên công trình.

Về mặt cơ học kết cấu, hệ giằng đóng vai trò như “bộ xương ổn định”, giúp khung thép duy trì hình dạng hình học ban đầu dưới tác động của tải trọng ngang như gió, động đất hoặc lực động sinh ra trong quá trình vận hành. 

Trong nhiều trường hợp, nếu thiếu hệ giằng hoặc bố trí hệ giằng không hợp lý, công trình kết cấu thép có thể mất ổn định tổng thể dù các cấu kiện chính như cột và dầm vẫn đảm bảo khả năng chịu lực riêng lẻ.

Vai trò của hệ giằng trong kết cấu thép

Trong thực tế thiết kế và thi công, hệ giằng được coi là yếu tố then chốt quyết định độ an toàn và tuổi thọ của công trình. Dưới đây là vai trò của hệ giằng trong kết cấu thép mà bạn có thể tham khảo:

Tăng độ ổn định tổng thể cho công trình

Hệ giằng giúp liên kết các khung thép riêng lẻ thành một khối không gian có độ cứng cao. Khi các thanh giằng được bố trí hợp lý, công trình sẽ hạn chế được hiện tượng chuyển vị lớn và mất ổn định tổng thể dưới tác động của tải trọng bất lợi. Nhờ đó, kết cấu thép có thể duy trì trạng thái làm việc ổn định trong suốt vòng đời sử dụng.

Chịu và phân phối tải trọng ngang (gió, động đất)

Trong các công trình kết cấu thép, đặc biệt là nhà xưởng công nghiệp có khẩu độ lớn, tải trọng ngang do gió và động đất thường chiếm tỷ trọng đáng kể. Hệ giằng đóng vai trò tiếp nhận các tải trọng này, sau đó phân phối và truyền chúng về các bộ phận chịu lực chính như cột, móng. Quá trình phân phối lực hợp lý giúp giảm ứng suất cục bộ và hạn chế nguy cơ hư hỏng kết cấu.

Hạn chế biến dạng, xoắn và mất ổn định khung

Khi không có hệ giằng, các khung thép có xu hướng bị xoắn hoặc biến dạng lệch khỏi mặt phẳng làm việc, đặc biệt dưới tác động của tải trọng không đối xứng. Hệ giằng, với cách bố trí chéo hoặc theo phương dọc, giúp kiểm soát chuyển vị và ngăn ngừa hiện tượng mất ổn định hình học. 

Đảm bảo công trình làm việc đúng theo giả thiết tính toán

Trong quá trình thiết kế, các giả thiết tính toán về điều kiện biên, sơ đồ làm việc và phân bố nội lực thường được xây dựng dựa trên sự tồn tại của hệ giằng. Nếu hệ giằng không được thi công đúng như thiết kế, toàn bộ giả thiết tính toán có thể bị phá vỡ, dẫn đến sai lệch lớn giữa mô hình lý thuyết và trạng thái làm việc thực tế của công trình.

Phân loại hệ giằng trong kết cấu thép

Việc phân loại hệ giằng giúp người thiết kế và thi công lựa chọn phương án phù hợp với từng dạng công trình. Trong thực tế, hệ giằng thường được phân loại thành hệ giằng mái và hệ giằng cột.

Hệ giằng mái

Hệ giằng mái là bộ phận đảm nhiệm vai trò ổn định kết cấu mái và tăng độ cứng cho công trình theo phương dọc nhà. Trong thực tế thiết kế nhà xưởng công nghiệp, hệ giằng mái thường được bố trí tại các vị trí mang tính chiến lược nhằm kiểm soát biến dạng và truyền tải lực ngang.

Các đặc điểm bố trí điển hình của hệ giằng mái bao gồm:

• Hệ giằng thường được đặt tại hai đầu hồi theo hướng ngang của nhà xưởng.
• Các giằng mái được bố trí tại đầu các khối nhiệt độ để hạn chế biến dạng do giãn nở nhiệt.
• Trong các nhà xưởng có chiều dài lớn, hệ giằng mái có thể được bố trí bổ sung tại một số gian giữa, với yêu cầu khoảng cách giữa các hệ giằng không vượt quá năm bước cột.

Về cấu tạo, hệ giằng mái thường sử dụng các thanh giằng chéo nhằm liên kết các xà ngang liền kề, tạo thành hệ chịu lực làm việc đồng thời. Cụ thể:

• Bản bụng của hai xà ngang kế nhau được liên kết bằng các thanh giằng chéo hình chữ thập.
• Vật liệu làm thanh giằng chéo thường là thép góc, thép tròn hoặc cáp thép mạ kẽm.
• Đường kính cáp hoặc tiết diện thanh giằng thường được lựa chọn nhỏ hơn 12 mm để đảm bảo tính kinh tế và dễ thi công.

Đối với nhà xưởng có trang bị cầu trục, vai trò của hệ giằng mái càng trở nên quan trọng. Trong trường hợp này, các thanh giằng chéo thường được bố trí bổ sung dọc theo đầu cột nhằm gia tăng độ cứng của khung ngang theo phương dọc nhà. Nhờ đó, các tải trọng ngang phát sinh từ gió và hoạt động của cầu trục có thể được truyền đều sang các khung lân cận và xuống móng, hạn chế tập trung ứng suất tại một vị trí.

Trong kết cấu nhà thép tiền chế, hệ giằng mái thường được chia thành ba thành phần chính gồm hệ giằng cánh trên, hệ giằng cánh dưới và hệ giằng đứng. Ba thành phần này làm việc đồng thời để đảm bảo mái nhà giữ được hình dạng ổn định và làm việc đúng với giả thiết tính toán ban đầu.

Hệ giằng cột

Hệ giằng cột là hệ thống giằng được bố trí theo phương dọc nhà, có nhiệm vụ tạo ra các khối cứng giúp công trình chịu được các lực tác động theo phương dọc. Trong nhiều nhà xưởng công nghiệp, khung thép thường được thiết kế ưu tiên chịu lực theo phương ngang, do đó độ cứng theo phương dọc của công trình có thể không cao nếu thiếu hệ giằng cột.

Về nguyên lý làm việc, hệ giằng cột phối hợp với cột và dầm cầu trục để tiếp nhận và truyền tải các lực dọc như lực gió, lực động đất hoặc lực hãm sinh ra trong quá trình vận hành cầu trục. Các lực này được truyền từ cột sang dầm cầu trục, tiếp tục phân phối vào hệ giằng cột và cuối cùng truyền xuống móng. Nhờ cơ chế truyền lực này, kết cấu thép có thể hạn chế đáng kể biến dạng dọc nhà và duy trì trạng thái làm việc ổn định.

Về bố trí cấu tạo, hệ giằng cột thường bao gồm các thanh giằng chéo được đặt tại những khu vực chịu lực lớn, bao gồm:

• Phạm vi cột trên, nơi chịu ảnh hưởng trực tiếp của tải trọng mái và gió.\
• Phạm vi cột dưới, nơi truyền lực xuống móng.
• Các vị trí có hệ giằng mái, nhằm đảm bảo tính liên tục và khép kín của đường truyền lực.

Nguyên tắc thiết kế hệ giằng trong kết cấu thép

Việc thiết kế hệ giằng trong kết cấu thép cần tuân thủ các nguyên tắc cơ bản nhằm đảm bảo khả năng truyền lực, độ ổn định không gian và tính an toàn lâu dài cho công trình. Dưới đây là những nguyên tắc quan trọng nhất thường được áp dụng trong thực tế thiết kế kết cấu thép.

Đảm bảo tính liên tục của đường truyền lực

Hệ giằng cần được bố trí sao cho tạo thành một đường truyền lực liên tục từ mái, qua cột và xuống móng. Mỗi thanh giằng không được hoạt động đơn lẻ mà phải tham gia vào hệ làm việc chung của kết cấu. Việc đảm bảo tính liên tục giúp tải trọng ngang được phân phối đều, tránh hiện tượng tập trung nội lực tại một số vị trí cục bộ.

Cân bằng độ cứng không gian

Hệ giằng phải được thiết kế nhằm cân bằng độ cứng giữa các phương của công trình, đặc biệt là giữa phương ngang và phương dọc nhà. Nếu độ cứng không gian phân bố không đều, kết cấu thép có thể xuất hiện biến dạng lớn hoặc xoắn khung khi chịu tải trọng bất lợi.

Lựa chọn tiết diện phù hợp với trạng thái chịu lực

Các thanh giằng trong kết cấu thép thường làm việc chủ yếu ở trạng thái chịu kéo, và trong một số trường hợp có thể chịu nén. Vì vậy, tiết diện thanh giằng cần được lựa chọn sao cho đáp ứng khả năng chịu lực tính toán, đồng thời hạn chế nguy cơ mất ổn định khi chịu nén.

Đảm bảo liên kết đủ độ cứng và khả năng chịu lực

Liên kết giữa thanh giằng với cột, dầm hoặc xà ngang phải được thiết kế và thi công đảm bảo khả năng truyền lực đầy đủ. Liên kết hàn hoặc bu lông cần được kiểm tra về cường độ, độ cứng và độ bền lâu dài. Nếu liên kết không đạt yêu cầu, hệ giằng có thể mất khả năng làm việc trước khi cấu kiện đạt đến giới hạn chịu lực.

Tuân thủ tiêu chuẩn và giả thiết tính toán

Hệ giằng phải được thiết kế phù hợp với các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật hiện hành và đúng với các giả thiết đã được sử dụng trong quá trình tính toán kết cấu. Việc tuân thủ tiêu chuẩn giúp đảm bảo sự thống nhất giữa mô hình tính toán và trạng thái làm việc thực tế của công trình.

Lưu ý cần nhớ khi thi công hệ giằng trong kết cấu thép

Trong quá trình thi công hệ giằng, việc kiểm soát đúng kỹ thuật lắp dựng và liên kết là yếu tố then chốt để đảm bảo kết cấu làm việc an toàn và ổn định lâu dài. Khi thi công, cần đặc biệt lưu ý các điểm sau:

• Thi công đúng vị trí, cao độ và hình thức cấu tạo theo bản vẽ thiết kế.
• Đảm bảo chất lượng mối hàn và liên kết bu lông của các thanh giằng.
• Kiểm tra độ thẳng, độ căng và độ võng của thanh giằng sau lắp đặt.
• Lắp dựng hệ giằng đồng bộ với cột, dầm và khung chính.
• Nghiệm thu đầy đủ hệ giằng trước khi đưa công trình vào sử dụng.

Hệ giằng trong kết cấu thép là cấu kiện có vai trò quyết định đến độ ổn định, an toàn và khả năng làm việc đúng giả thiết của công trình. Việc hiểu rõ bản chất, phân loại và nguyên tắc thiết kế – thi công hệ giằng giúp kỹ sư và chủ đầu tư đưa ra các quyết định chính xác, hạn chế rủi ro trong quá trình sử dụng.

Trong thực tế thi công kết cấu thép, chất lượng liên kết hàn giữ vai trò đặc biệt quan trọng đối với hiệu quả làm việc của hệ giằng. Để đảm bảo mối hàn đạt độ chính xác và độ bền cao, nhiều đơn vị hiện nay lựa chọn các giải pháp hàn hiện đại. Nam Vượng hiện cung cấp các dòng máy hàn công nghệ cao, đáp ứng tốt yêu cầu hàn kết cấu thép, góp phần nâng cao chất lượng thi công và độ an toàn cho toàn bộ hệ giằng và công trình.

Liên hệ ngay Nam Vượng để được tư vấn chi tiết: