so sánh cách tính cấu kiện chịu nén bằng thép

Mp mômen uốn dẻo tiêu chuẩn Mỹ Mr mômen uốn yêu cầu khi sử dụng tổ hợp tải trọng LRFD hoặc ASD tiêu chuẩn Mỹ N tải trọng thiết kế dọc trục Pc lực nén dọc trục kể đến hệ số giảm  Pr khả

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iii

KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT v

CHƯƠNG I: PHẦN MỞ ĐẦU 2

1.1 Vấn đề thực tiễn 2

1.2 Giới thiệu tổng quan về hệ thống các tiêu chuẩn : 4

1.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam : 4

1.2.2 Giới thiệu chung về Tiêu chuẩn Mỹ AISC 5

1.2.3 Giới thiệu chung hệ thống tiêu chuẩn Anh BS 5950 6

1.2.4 Giới thiệu chung về hệ thống tiêu chuẩn Châu Âu .7

1.3 Mục tiêu và nội dung của đề tài 11

CHƯƠNG II – CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 12

2.1 Nguyên tắcchung dùng trong thiết kế 12

2.1.1.Các nguyên tắc cơ bản thiết kế theo TCXDVN 338:2005 12

2.1.2 Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo Tiêu chuẩn Mỹ AISC/ASD 12

2.1.3 Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo Tiêu chuẩn Anh BS5950:PART1:2000.13 2.1.4 Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-1:2005 15 2.1.5 Nhận xét chung về các phương pháp thiết kế 15

2.2.Tải trọng kế sử dụng trong thiết kế 17

2.2.1.Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam 17

2.2.2 Tải trọng thiết kế theo Tiêu chuẩn Mỹ 18

2.2.3 Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn Anh 23

2.2.4 Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn châu Âu: 26

2.2.5 Nhận xét chung về tải trọng thiết kế: 31

2.3 Vật liệu thép sử dụng theo các tiêu chuẩn thiết kế 33

2.3.1 Vật liệu thép theo tiêu chuẩn Việt Nam 33

2.3.2 Vật liệu thép theo Tiêu chuẩn Mỹ 34

2.3.3 Vật liệu thép theo tiêu chuẩn Anh 37

2.3.4 Vật liệu thép theo tiêu chuẩn Châu Âu 39

2.3.5 Nhận xét chung về sử dụng vật liệu trong các tiêu chuẩn 40

CHƯƠNG III CẤU KIỆN CHỊU NÉN 42

3.1 Tính toán cấu kiện chịu nén theo TCXDVN 338:2005 42

3.1.1 Những quan niệm tính toán cơ bản nhất 42

3.1.2 Độ mảnh và chiều dài tính toán 42

3.1.3 Tính toán cấu kiện chịu nén đúng tâm 43

3.1.4 Tính toán cấu kiện chịu nén lệch tâm 44

3.1.5 Tính toán kể đến yếu tố độ mảnh của tiết diện (tính ổn định cục bộ) 50

3.2 Tính toán cấu kiện chịu nén theo Tiêu chuẩn Mỹ AISC/LRFD 54

3.2.1 Những quan niệm tính toán cơ bản nhất 54

3.2.2 Độ mảnh và chiều dài tính toán 56

3.2.3 Cường độ nén với độ cong do uốn không xét đến ổn định cục bộ 57

3.2.4 Cường độ nén với do oằn xoắn bên không xét đến ổn định cục bộ 57

3.2.5 Tính toán kể đến yếu tố độ mảnh của tiết diện (tính toán ổn định cục bộ) 58

3.2.6 Cấu kiện tiết diện chữ I, H chịu nén uốn 60

3.3 Tính toán cấu kiện chịu nén theo tiêu chuẩn Anh BS5950 62

3.3.1 Những quan niệm tính toán cơ bản nhất 63

3.3.2 Độ mảnh và chiều dài tính toán 65

3.3.3 Khả năng nén với của cột: 66

3.3.4 Khả năng chịu ổn định do oằn bên kèm xoắn 67

3.3.5 Tính toán kể đến yếu tố độ mảnh của tiết diện (tính ổn định cục bộ) 70

3.3.6 Cấu kiện chịu nén uốn 72

3.4 Tính toán cấu kiện chịu nén theo tiêu chuẩn EN 1993-1-1:2005 77

3.4.1 Phân lớp tiết diện 77

3.4.2 Tính toán độ bền 80

3.4.3 Tính toán ổn định của cấu kiện theo EN 1993-1-1:2005: 83

3.5 So sánh tóm tắt tính toán cột thép lệch tâm 2 phương 92

3.6 Lập chương trình tính cột thép hình tiết diện I, H chịu nén, nén lệch tâm theo tiêu chuẩn TCXDVN 338:2005 95

CHƯƠNG IV MỘT SỐ VÍ DỤ TÍNH TOÁN 96

4.1 Ví dụ tính toán cấu kiện chịu nén đúng tâm (tiết diện đặc chắc) 96

4.1.1 Tính toán theo TCXDVN 338:2005 96

4.1.2 Tính toán theo tiêu chuẩn Mỹ AISC/LRFD 97

4.1.3 Tính toán theo tiêu chuẩn Anh BS5950:Part 1: 2000 98

4.1.4 Tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-1:2005 99

4.2 Ví dụ tính toán cấu kiện chịu nén đúng tâm (tiết diện mảnh) 100

4.2.1 Tính toán theo TCXDVN 338:2005 100

4.2.2 Tính toán theo tiêu chuẩn Mỹ AISC/LRFD 101

4.2.3 Tính toán theo tiêu chuẩn Anh BS5950 102

4.2.4 Tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-1:2005 103

4.3 Nhận xét: 104

4.4 Ví dụ tính toán cấu kiện chịu lệch tâm theo một phương chính 105

4.4.1 Tính toán theo TCXDVN 338:2005 105

4.4.2 Tính toán theo tiêu chuẩn Mỹ AISC/LRFD 107

4.4.3 Tính toán theo tiêu chuẩn Anh BS5950 109

4.4.4 Tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-1:2005 111

4.4.5 Nhận xét: 113

4.5 Ví dụ tính toán cấu kiện chịu nén lệch tâm theo hai phương: 113

4.5.1 Tính toán theo TCXDVN 338:2005 113

4.5.2 Tính toán tiêu chuẩn Mỹ AISC/LRFD 115

4.5.3 Tính toán theo tiêu chuẩn Anh BS5950:Part 1: 2000 117

4.5.4 Tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-1:2005 118

4.5.5 Tính toán với một số ví dụ khác: 120

4.5.6 Nhận xét: 122

CHƯƠNG V NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 122

5.1 Nhận xét 122

5.2 Kết luận 126

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng II.1 – Các trạng nhóm thái giới hạn theo BS 5950 13

Bảng II.2 - Hệ số an toàn tải trọng  14

Bảng II.3 - Hoạt tải phân bố đều theo ASNI A58.1-1982 18

Bảng II.4 - Tải trọng tập trung theo ASNI A58.1-1982 19

Bảng II.5 - Hệ số áp lực Cq 20

Bảng II.6 - Hệ số tổng hợp Ce (độ cao, địa hình, xung của gió) 21

Bảng II.7 – Áp lực gió qs tại chiều cao 10m (33ft) 21

Bảng II.8 - Hệ số tầm quan trọng I (để tính tải trọng gió ) 22

Bảng II.9 - Hệ số tổ hợp tải trọng cơ bản theo một số tiêu chuẩn 22

Bảng II.10 - Trị số của tải trọng áp đặt ( hoạt tải) 23

Bảng II.11 - Hệ số S2 24

Bảng II.12 - Bảng tổ hợp tải trọng theo BS 6399 26

Bảng II.13 – Phân hạng tải trọng sử dụng 27

Bảng II.14 – Tải trọng áp đặt trên sàn, ban công, cầu thang 28

Bảng II.15 - Tổ hợp tải trọng 29

Bảng II.16 - Cường độ tính toán của thép cán nóng và thép ống 33

Bảng II.17 - Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính toán của thép các bon (TCVN 5709 : 1993) Đơn vị tính : N/mm2 33

Bảng II.18 - Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính toán của thép hợp kim thấp (TCVN 5709 : 1993) Đơn vị tính : N/mm2 34

Bảng II.19 – 16 loại thép được chấp thuận sử dụng theo AISC 35

Bảng II.20 - Cường độ tính toán của thép 38

Bảng II.21 – giá trị danh nghĩa của giới hạn bền fu và giới hạn chảy fy cho thép kết cấu cán nóng 39

Bảng II.22 – giá trị danh nghĩa của giới hạn bền fu và giới hạn chảy fy cho tiết diện rỗng 40

Bảng II.23 - Bảng danh sách tên thép theo các tiêu chuẩn 41

Bảng III.1 – Độ mảnh giới hạn của các thanh chịu nén 42

Bảng III.2 - Hệ số  43

Bảng III.3 – Các hệ số: c1 ; cx ; cy; nc 45

Bảng III.4 – Giá trị M 47

Bảng III.5 – Hệ số  và  49

Bảng III.6 – giá trị giới hạn [hw/tw] 51

Bảng III.7 – Giá trị giới hạn [bo/tf] 53

Bảng III.8 – Giá trị giới hạn của [b o / t f] 54

Bảng III.9 - Tỷ số giới hạn bề rộng và bề dày của phần tử chịu nén 55

Bảng III.10: Độ mảnh cho phép 63

Bảng III.11 - Tỷ số giới hạn bề rộng và bề dày của tiết diện không phải hình ống tròn hay chữ nhật 64

Bảng III.12 – Phân loại đường cong kết cấu 66

Bảng III.13 – Giá trị của LO đối với thép hình cán nóng và tổ hợp hàn 67

Bảng III.13-1: Hệ số mômen cân bằng mLT cho đường cong oằn xoắn bên 75

Bảng III.13-2: Hệ số mômen cân bằng m cho đường cong uốn 76

Bảng III.14 Tỷ số bề rộng trên bề dày lớn nhất của bộ phận chịu nén 78

Bảng III.15 - Tỷ số bề rộng trên bề dày lớn nhất của bộ phận chịu nén 79

Bảng III.16 Hệ số không hoàn chỉnh đối với các dạng đường cong 84

Bảng III.17 Chọn đường cong oằn cho tiết diện 85

Bảng III.18 Hệ số không hoàn chỉnh với các dạng đường cong oằn bên kèm xoắn 87

Bảng III.19 Giới thiệu về các loại đường cong oằn 87

Bảng III.20 Giá trị các hệ số C1, C2 và C3 89

Bảng III.21 Giới thiệu về các loại đường cong oằn sử dụng ở công thức (3.104) 90

Bảng III.22 Hệ số điều chỉnh kc 90

Bảng III.23: Giá trị NRk = fy Ai , Mi,Rk = fy Wi và Wi,Ed 91

Bảng III.24: Hệ số tương tác kij cho cấu kiện không chịu biến dạng xoắn 91

Bảng III.25: Hệ số tương tác kij cho cấu kiện chịu biến dạng xoắn 92

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT a) Các đặc trưng hình học A diện tích tiết diện nguyên An diện tích tiết diện thực Af diện tích tiết diện cánh Aw diện tích tiết diện bản bụng Aeff diện tích hiệu dụng của tiết diện khi tính toán tiết diện mảnh b chiều rộng bf chiều rộng cánh bo chiều rộng phần nhô ra của cánh h chiều cao của tiết diện

hw chiều cao của bản bụng

bcf bề rộng của cánh cột (tiêu chuẩn Mỹ)

be bề rộng giảm để tính toán diện tích hiệu dụng

d tổng chiều cao của tiết diện

B bề rộng tiết diện (tiêu chuẩn Anh)

b chiều dài tính toán của cánh

D chiều cao tiết diện

d chiều cao tính toán của bản bụng

b bề rộng tiết diện (tiêu chuẩn EN)

d chiều cao tính toán của bản bụng

ix, iy bán kính quán tính của tiết diện tương ứng các trục x-x, y-y

imin bán kính quán tính nhỏ nhất của tiết diện

rib bán kính quán tính của bộ phận của cấu kiện tổ hợp

rts bán kính quán tính tính toán sử dụng trong việc xác định Lr đối với trạng thái giới hạn oằn bên kèm xoắn cho trục uốn chính đối với tiết diện hình dạng I đối xứng hai phương và tiết diện máng (C)

rx, ry bán kính quán tính của tiết diện tương ứng các trục x-x, y-y

If mômen quán tính của tiết diện nhánh

Im, Id mômen quán tính của thanh cánh và thanh xiên của giàn

g và dọc

It mômen quán tính xoắn

Ip mômen quán tính ban đầu của cấu kiện

Ix, Iy các mômen quán tính của tiết diện nguyên đối với các trục tương ứng x-x và y-y

Inx, Iny các mômen quán tính của tiết diện thực đối với các trục tương ứng

x-x và y-y

L chiều cao của thanh đứng, cột hoặc chiều dài nhịp dầm

lo chiều dài tính toán của cấu kiên chịu nén

Lb chiều dài của các điểm mà hoặc là giằng ngăn cản chuyển vị ngang hoặc là giằng ngăn cản xoắn tiết diện

Lp chiều dài không giằng ngang giới hạn đối với trạng thái giới hạn uốn

LE chiều dài tính toán của cấu kiên chịu nén (tiêu chuẩn Anh)

lx, ly chiều dài tính toán của cấu kiện trong các mặt phẳng vuông góc với các trục tương ứng x-x, y-y

S mômen tĩnh

s bước lỗ bulông

tf , tw chiều dày của bản cánh và bản bụng

Wnmin môđun chống uốn (mômen kháng) nhỏ nhất của tiết diện thực đối với trục tính toán

Wx , Wy môđun chống uốn (mômen kháng) của tiết diện nguyên đối với trục tương ứng x-x, y-y

Wnx,min, Wny,min môđun chống uốn (mômen kháng) nhỏ nhất của tiết diện thực đối với các trục tương ứng x-x, y-y

Sxt, Sxx môđun tiết diện đàn hồi đối với cánh chịu kéo và nén tương ứng (tiêu chuẩn Mỹ)

Sx, Sy môđun tiết diện đàn hồi đối với các trục chính (tiêu chuẩn Mỹ)

Zx, Zy môđun tiết diện dẻo đối với các trục chính

Sx, Sy môđun tiết diện dẻo đối với các trục chính (tiêu chuẩn Anh)

Zx, Zy môđun tiết diện đàn hồi đối với các trục chính (tiêu chuẩn Anh)

b) Ngoại lực và nội lực

Mx , My mômen uốn đối với các trục tương ứng x-x, y-y

Mp mômen uốn dẻo (tiêu chuẩn Mỹ)

Mr mômen uốn yêu cầu khi sử dụng tổ hợp tải trọng LRFD hoặc ASD (tiêu chuẩn Mỹ)

N tải trọng thiết kế dọc trục

Pc lực nén dọc trục kể đến hệ số giảm 

Pr khả năng chịu nén của vật liệu

Fc tải trọng thiết kế dọc trục (tiêu chuẩn Anh)

Fv lực cắt của cấu kiện

Pc khả năng chịu nén của vật liệu

Pv khả năng chịu cắt của vật liệu

FEd tải trọng thiết kế trên kết cấu

Fcr lực nén đàn hồi tới hạn

NEd giá trị thiết kế của lực dọc

Npl,Rd khả năng chịu nén khi thiết kế dẻo của tiết diện

NRd khả năng chịu nén của tiết diện

Nc,Rd khả năng chịu nén của tiết diện khi nén thuần tuý

NRk giá trị đặc trưng cho khả năng chịu nén

Ncr,y lực tới hạn đàn hồi trục y-y

Ncr,z lực tới hạn đàn hồi trục z-z

My,Ed mô men uốn thiết kế trục y-y

Mz,Ed mô men uốn thiết kế trục z-z

My,Rd khả năng chịu mô men uốn thiết kế trục y-y

Mz,Rd khả năng chịu mô men uốn thiết kế trục z-z

MEd mô men tăng thêm do việc di chuyển tâm của diện tích hiệu dụng Aeff

so với tâm của tiết diện ban đầu

Mc,Rd khả năng chịu uốn của tiết diện đối với 1 trục chính

My,Rk giá trị đặc trưng khả năng chịu uốn phương trục y-y

Mz,Rk giá trị đặc trưng khả năng chịu uốn phương trục z-z

VEd lực cắt thiết kế

Vc,Rd khả năng chịu cắt

Vpl,Rd khả năng chịu cắt khi tính toán dẻo

Wpl môđun dẻo của tiết diện

Wel,min môđun đàn hồi nhỏ nhất của tiết diện

Weff,min môđun hiệu dụng nhỏ nhất của tiết diện

V lực cắt

c) Cường độ và ứng suất

E môđun đàn hồi của thép theo tiêu chuẩn Anh (205.000 MPa)

fy cường độ tiêu chuẩn lấy theo giới hạn chảy của thép

fu cường độ tiêu chuẩn của thép theo sức bền kéo đứt

f cường độ tính toán của thép chịu kéo, nén, uốn lấy theo giới hạn chảy

fth cường độ tính toán chịu kéo của sợi thép cường độ cao

Fbw ứng suất uốn ở điểm xem như về hướng trục x (trục chính)

Fbz ứng suất uốn ở điểm xem như về hướng trục y

Fcr ứng suất tới hạn

Fcry ứng suất tới hạn về trục vuông góc trục chính

Fcrz ứng suất oằn xoắn tới hạn

Fe ứng suất đàn hồi tới hạn

Fex ứng suất uốn đàn hồi hướng trục chính

Fey ứng suất uốn đàn hồi hướng trục vuông góc trục chính

Fez ứng suất oằn xoắn đàn hồi

Fy ứng suất chảy tối thiểu xác định của loại thép được sử dụng

py cường độ thiết kế của thép (TC Anh)

pc cường độ chịu nén của tiết diện

pb cường độ uốn của thép (khi tính oằn bên kèm xoắn)

e độ lệch tâm của lực

m độ lệch tâm tương đối

me độ lệch tâm tương đối tính đổi

n, p,  các thông số để xác định chiều dài tính toán của cột

c hệ số điều kiện làm việc của kết cấu

M hệ số độ tin cậy về cường độ

Q hệ số độ tin cậy về tải trọng

 hệ số ảnh hưởng hình dạng của tiết diện

 độ mảnh của cấu kiện ( = lo /i )

 độ mảnh qui ước ( f E/ )

w

 độ mảnh qui ước của bản bụng (  w h w/t w f E/ )

x , y độ mảnh tính toán của cấu kiện trong các mặt phẳng vuông góc với các trục tương ứng x-x, y-y

p hệ số độ mảnh giới hạn của đối với cấu kiện đặc chắc (tiêu chuẩn Mỹ)

pf hệ số độ mảnh giới hạn của đối với cánh đặc chắc

pw hệ số độ mảnh giới hạn của đối với bụng đặc chắc

r hệ số độ mảnh giới hạn của đối với cấu kiện không đặc chắc

pf hệ số độ mảnh giới hạn của đối với cánh không đặc chắc

pw hệ số độ mảnh giới hạn của đối với bụng không đặc chắc

L0 độmảnh giới hạn (khi tính ở trạng thái oằn xoắn bên)

LT độmảnh tính toán (khi tính ở trạng thái oằn xoắn bên)

0 độmảnh giới hạn (khi tính toán cấu kiện chịu nén)

 hệ số chiều dài tính toán của cột

 hệ số uốn dọc

b hệ số giảm cường độ tính toán khi mất ổn định dạng uốn xoắn

e hệ số giảm cường độ tính toán khi nén lệch tâm, nén uốn

 hệ số để xác định hệ số b khi tính toán ổn định của dầm (Phụ lục E)

Cw Hằng số cong vênh (tiêu chuẩn Mỹ)

Q hệ số giảm khi cấu kiện chịu nén mảnh (tiêu chuẩn Mỹ)

Qa hệ số giảm bản bụng mảnh chịu nén

Qs hệ số giảm bản cánh mảnh chịu nén

b hệ số giảm tính toán khi chịu uốn

c hệ số giảm tính toán khi chịu nén

u hệ số oằn của tiết diện

x chỉ số xoắn của tiết diện

f hệ số tải trọng tổng thể

 hằng số (275/py)0.5

M0 hệ số xét đến hình dạng tiết (tiêu chuẩn EN)

M1 hệ số xét đến tính không ổn định của cấu kiện khi kiểm tra

 hệ số giảm tuỳ theo đường cong oằn phù hợp

y hệ số giảm tuỳ theo đường cong oằn (trục y-y)

z hệ số giảm tuỳ theo đường cong oằn (trục z-z)

kij các hệ số tương tác

 hệ số phụ thuộc vào fy

Cmy,mz,mLT hệ số mô men phân bố cân bằng

C1 hệ số điều chỉnh theo biểu đồ mô men phân bố

Cm hệ số điều chỉnh khi biểu đồ mô men phân bố tuyến tính

Cn hệ số điều chỉnh khi biểu đồ mô men phân bố phi tuyến

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC: CHƯƠNG TRÌNH MATLAB TÍNH CỘT THÉP HÌNH CHỮ I CHỊU NÉN LỆCH TÂM HAI PHƯƠNG THEO TCXDVN 338:2005

Chương I : PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 Vấn đề thực tiễn

Cùng với việc mở cửa hội nhập với nền kinh tế thế giới và việc Việt Nam gia nhập vào Tổ chức thương mại thế giới (WTO) thì nền kinh tế Việt Nam nói chung và ngành xây dựng nói riêng đang từng bước hoà nhập tìm tiếng nói chung để cùng nhau phát triển Việc sử dụng các Tiêu chuẩn tính toán kết cấu thép của các nước tiên tiến như Anh (BS5950), Mỹ(AISC/ASD) đã được chính phủ cho phép triển khai song song với các Tiêu chuẩn tính toán kết cấu thép hiện hành (TCXDVN 338 : 2005) Đồng thời, vấn đề tính toán kết cấu thép hiện nay cần phải được chú ý quan tâm nhiều, bởi vì cùng với xu hướng phát triển ngày càng nhanh của xã hội, các công trình xây dựng có số tầng ngày càng nhiều, bước nhịp ngày càng lớn, nhiều công trình có nhịp rất lớn (nhà biểu diễn, sân bay, sân vận động ) nhằm đáp ứng nhu cầu cao về công năng sử dụng, yêu cầu thẩm mỹ của con người Kết cấu sử dụng trong công trình hiện nay không còn đơn thuần là bêtông hoặc là thép mà có thể là sự phối hợp giữa thép và bêtông (thép chịu lực, bêtông để chống cháy và bảo vệ) hoặc là sự tổ hợp giữa thép và bêtông (vật liệu composite) để tận dụng tối đa ưu điểm của từng loại vật liệu Trong bối cảnh như vậy, việc giải quyết bài toán kết cấu thép theo các Tiêu chuẩn khác nhau

là một vấn đề rất đáng được quan tâm Tuy vậy, việc áp dụng các Tiêu chuẩn nước ngoài để tính toán kết cấu thép ở đối với các kỹ sư Việt Nam còn khá mới mẻ và khó khăn

Từ thực tế sử dụng cho thấy, hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam được hình thành qua nhiều năm, chủ yếu dựa trên sự chuyển dịch từ các tiêu chuẩn Liên Xô, Anh Quốc, Mỹ, ISO, Trung Quốc … Sự hình thành khá đa dạng này xuất phát từ nhu cầu thực tế đòi hỏi qua các thời kỳ mà chưa có sự đồng bộ và hệ thống ngay từ đầu Khi gia nhập WTO, Việt Nam phải dỡ bỏ các rào cản (barries ) gồm rào cản thuế quan, rào cản kỹ thuật ( tiêu chuẩn kỹ thuật), rào cản về thể chế kinh doanh Trong hiệp định về rào cản kỹ thuật trong thương mại (TBT – Agreement on technical Barries to trade) của WTO còn có “Quy trình biên soạn, chấp nhận và áp dụng tiêu chuẩn” được áp dụng cho tất cả các thành viên Thông điêp mà WTO gửi đến tất cả các nước thành viên là “Thương mại toàn cầu cần tới những tiêu chuẩn toàn cầu” Một trong những nhiệm vụ rất quan trọng của ngành Xây dựng và cũng là đòi hỏi của quá trình hội nhập

là dỡ bỏ rào cản kỹ thuật, soát xét và xây dựng hệ thống tiêu chuẩn xây dựng đồng bộ, hiện đại, hài hoà và tiệm cận với tiêu chuẩn quốc tế, tạo điều kiện cho quá trình hội nhập của ngành Xây dựng với các nước trong khu vực và trên thế giới

Như vậy, để quản lý tốt chất lượng công trình, nâng cao hiệu quả của các dự án đầu tư trong nền kinh tế hội nhập, cần thiết phải có hệ thống văn bản quy chuẩn, tiêu chuẩn xây dựng đồng bộ thống nhất, hiện đại và hội nhập với khu vực và quốc tế Để đảm bảo được điều này chúng ta phải soát lại hệ thống quy chuẩn, tiêu chuẩn hiện có, đồng thời bổ sung hoặc huỷ bỏ những tiêu chuẩn đã quá cũ không còn phù hợp Từ những năm 2001 – 2003, dưới sự chỉ đạo trực tiếp của lãnh đạo Bộ Xây dụng, trên cơ

sở kết quả đề tài khoa học công nghệ cấp Nhà nước “nghiên cứu xây dựng đồng bộ hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam đến năm 2010 theo hướng đổi mới, hội nhập”,

Bộ xây dựng đã hình thành định hướng cho hệ thống Quy chuẩn và Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam Theo đó, việc hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam bao gồm nghiên cứu và áp dụng các tiêu chuẩn châu Âu trong lĩnh vực kết cấu, nền móng

và vật liệu xây dựng Bước thứ hai là phải đổi mới biên soạn nội dung tiêu chuẩn, Bộ Xây dưng phấu đấu dầu năm 2010 sẽ hoàn thành đồng bộ các tiêu chuẩn

Trong định hướng xây dựng đồng bộ hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam đến năm 2010 theo hướng đổi mới, hội nhập thì lĩnh vực kết cấu thép cũng không ngoại trừ Kết cấu thép là loại kết cấu chủ yếu trong xây dựng hiện đại Trong những năm qua, hàng nghìn công trình công nghiệp, dân dụng đã dược xây dựng mà phần lớn được làm bằng thép Thực tế cho thấy, khi xây dựng các công trình lớn mà nguồn vốn xây dựng công trình như ODA, và các nguồn vốn khác từ nước ngoài đầu tư vào Việt Nam, chủ đầu tư yêu cầu người thiết kế sử dụng tiêu chuẩn quy phạm của nước ngoài, trong đó có Quy phạm Mỹ, tiêu chuẩn Anh, tiêu chuẩn Châu Âu…Mặt khác các tiêu chuẩn này còn được nhiều nước trên thế giới và trong khu vực ASEAN khai thác và biên soạn thành tiêu chuẩn riêng cho nước mình Việc áp dụng tiêu chuẩn nước ngoài được Bộ Xây dựng thể chế hoá theo “quy chế áp dụng tiêu chuẩn xây dựng nước ngoài trong hoạt động xây dựng ở Việt Nam”, ban hành kèm theo quyết định 09/2005/QĐ-BXD ngày 7 tháng 4 năm 2005

Việc nghiên cứu chỉnh sửa tiêu chuẩn kết cấu thép của Việt Nam cũng đã trải qua nhiều thời kỳ Từ năm 1963-1971: Tiêu chuẩn và quy phạm kỹ thuật thiết kế kết cấu thép do UBKT cơ bản nhà nước ban hành, dựa theo Tiêu chuẩn HuTy 121-55 của Liên Xô (tính theo lý thuyết ứng suất cho phép) Từ năm 1972-1990: Kết cấu thép, Tiêu chuẩn thiết kế - TCXD 09-72 do UBKT cơ bản nhà nước phê chuẩn, dựa theo tiêu chuẩn CHuП IIB – 3.62 của Liên Xô (tính theo lý thuyết trạng thái giới hạn) Từ

1991 – 6/2005: TCVN 5575 – 1991 - Kết cấu thép - Tiểu chuẩn thiết kế, do Bộ Xây dựng ban hành, dựa theo CHuП II-23-81* của Liên Xô, có tham khảo một số điều của Eurocode3, của tiêu chuẩn của Trung Quốc

Vấn đề đặt ra là các tiêu chuẩn: tiêu chuẩn Việt Nam (TCXDVN 338 : 2005 " Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế") ; tiêu chuẩn Mỹ (AISC) ; tiêu chuẩn Anh (BS 5950) và tiêu chuẩn châu Âu (Eurocodes) có các quy định rất khác nhau vể tải trọng,

tổ hợp tải trọng; Về vật liệu và các điều kiện sử dụng; Về nguyên lý và công thức tính toán; Và cả về ký hiệu và cách thể hiện Điều đó khiến cho việc trao đổi, đánh giá, áp dụng một cách linh hoạt giữa các tiêu chuẩn trong quá trình áp dụng rất khó triển khai

Vì vậy để hội nhập nhanh, sử dụng có hiệu quả các công nghệ xây dựng hiện đại cần có sự tìm hiểu, nghiên cứu, phân tích một cách toàn diện sự tương quan, giống nhau và khác nhau giữa các tiêu chuẩn nhằm áp dụng một cách phù hợp và linh hoạt trong quá trình sử dụng thực tế

Việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp thiết kế kết cấu thép của các tiêu chuẩn nước ngoài trong điều kiện Việt Nam như thế nào là đúng, trong những trường hợp nào thì hợp lý và áp dụng như thế nào để đồng bộ là rất cần thiết Trong phạm vi đề tài

“ SO SÁNH CÁCH TÍNH CẤU KIỆN CHỊU NÉN BẰNG THÉP THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM VỚI MỘT SỐ TIÊU CHUẨN KHÁC ” (theo TCXDVN 338:2005, AISC/LRFD, BS5950:Part 1: 2000 & EN 1993-1-1:2005) nhằm giúp người thiết kế có sự hiểu biết cơ bản và sử dụng một cách đúng đắn khi thiết kế cấu kiến chịu nén và nén lệch tâm Mặt khác, đề tài cũng góp phần vào việc hoàn thiện dần tiêu

chuẩn thiết kế kết cấu thép nói riêng, cũng như hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam trong điều kiện nền kinh tế hội nhập

1.2 Giới thiệu tổng quan về hệ thống các tiêu chuẩn :

1.2.1 Giới thiệu chung về hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam :

Bộ Xây dựng Việt Nam đã có quyết định số 408/1996/BXD-KHCN, ngày 26 tháng 6 năm 1996 xuất bản tuyển tập tiêu chuẩn xây dựng lần thứ nhất Những tiêu chuẩn được in trong tuyển tập có giá trị áp dụng toàn ngành xây dựng không phân biệt thành phần kinh tế và vùng lãnh thổ Đây là một bộ tiêu chuẩn dựa trên hệ thống tiêu chuẩn của Liên Xô có đầy đủ các tiêu chuẩn như xác định tải trọng, qui cách vật liệu, tính toán kết cấu v v

Tuyển tập được chia thành 11 tập xếp theo thứ tự từ 1 đến 11, nội dung của mỗi tập được sắp xếp theo các cụm công việc (như thiết kế, thi công, sản xuất vật liệu xây dựng, phương pháp thử v v ) để tiện cho người sử dụng, dễ tìm kiếm Tuy nhiên, mỗi tiêu chuẩn ở các tập đều có sự liên hệ mật thiết với nhau

Tập 1: Những vấn đề chung

Tập 2: Quy hoạch, khảo sát xây dựng

Tập 3: Kết cấu xây dựng

Tập 4: Nhà ở và công trình công cộng, công trình công nghiệp

Tập 5: Công trình nông nghiệp, giao thông, thuỷ lợi

Tập 6: Hệ thống kỹ thuật cho nhà ở và công trình công cộng

Tập 7: Quản lý chất lượng, thi công và nghiệm thu

Tập 8: Vật liệu xây dựng, sản phẩm cơ khí xây dựng

Tập 9: Bảo vệ công trình, an toàn vệ sinh môi trường

Tập 10: Phương pháp thử vật liệu thép, bê tông, gỗ, cốt liệu xây dựng, gạch Tập 11: Phương pháp thử thuỷ tinh, chất dẻo, đát xây dựng, nước không khí Tuyển tập được xuất bản với sự hỗ trợ, giúp đỡ của Dự án “ Tăng cường năng lực quản lý và điều phối nghiên cứu khoa học, biên soạn tiêu chuẩn và đảm bảo chất lượng xây dựng ở Việt Nam” của Bộ Xây dựng do cơ quan ODA của Vương Quốc Anh tài trợ, và có sự đóng góp tích cực của nhiều chuyên gia làm nhiệm vụ biên tập và hiệu đính nội dung

Ngày 31 tháng 5 năm 2005, Bộ Xây dựng Việt Nam đã có quyết định số 17/2005/QĐ-BXD về việc ban hành TCXDVN 338:2005 “Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế” Tiêu chuẩn TCXDVN 338:2005 thay thế tiêu chuẩn TCVN 5575:1991 dùng

để thiết kế kết cấu thép của nhà và công trình Tiêu chuẩn này không dùng để thiết kế kết cấu thép của cầu, đường hầm giao thông, đường ống dưới đất Về bản chất phương pháp tính toán, TCXDVN 338:2005 không khác TCVN 5575:1991, chỉ khác về thuật ngữ và bổ sung thêm một số loại thép được sử dụng trong xây dựng tại Việt Nam như thép của Mỹ, Anh, Úc, Nhật Bản, Trung Quốc Nội dung gồm các phần sau:

Phần 1 – Nguyên tắc chung

Phần 2 – Tiêu chuẩn trích dẫn

Phần 3 – Cơ sở thiết kế kết cấu thép

Phần 4 - Vật liệu của kết cấu thép và liên kết

Phần 5 – Tính toán các cấu kiện

Phần 6 – Tính toán liên kết

Phần 7 – Tính toán kết cấu thép theo độ bền mỏi

Phần 8 – Các yêu cầu kỹ thuật và các cấu tạo khác khi thiết kế cấu kiện kết cấu thép

Phần 9 – Các yêu cầu kỹ thuật và cấu tạo khác khi thiết kế nhà và công trình

1.2.2 Giới thiệu chung về Tiêu chuẩn Mỹ AISC

Quy định kĩ thuật về thiết kế kết cấu thép của AISC và AASHTO Về thiết kế kết cấu thép, nước Mỹ có hai Tiêu chuẩn được chấp nhận rộng rãi Đó là Quy định kĩ thuật về thiết kế kết cấu thép của Viện AISC (American Institute of Steel Construction) áp dụng cho nhà cửa và Quy định kỹ thuật của AASHTO (American Asociation of State Highway and Transportation Officials) dùng cho cầu trên đường ôtô

Cả hai Quy định đều có phương pháp tính theo ứng suất cho phép và tính theo

hệ số tải trọng, hệ số độ bền Theo phương pháp ứng suất cho phép, ứng suất giới hạn không đựoc vượt quá giá trị ứng suất cho phép (bằng ứng suất chảy nhân với hệ số 0,6 đến 0,67) Phương pháp hệ số tải trọng thì tải trọng tính toán được tăng lên bằng hệ số 1,2 – 1,6, hệ số chịu lực bằng 0.75 - 0,9 còn ứng suất giới hạn thì chính là giới hạn chảy Cùng một loại thép thì nói chung AASHTO quy định ứng suất cho thép nhỏ hơn,

có nghĩa là an toàn hơn

Luận văn này nghiên cứu về cách thiết kế kết cấu thép theo phương pháp ứng suất cho phép của Quy định kỹ thuật của AISC/ASD Tên đầy đủ là Quy định kỹ thuật

để thiết kế nhà thép theo phương pháp ứng suất cho phép và phương pháp thiết kế dẻo (Specification for Structural Steel Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design), (sau đây được gọi ngắn gọn là Tiêu chuẩn AISC) Tiêu chuẩn này do Viện kết cấu thép Mỹ (American Institute of Steel Construction, viết tắt là AISC) biên soạn

và xuất bản năm 1989 để sử dụng thiết kế nhà khung thép Từ năm 1993, một số phương pháp khác được AISC ban hành là phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng

và hệ số độ bền (Load and Resistance Factor Design) Cả hai phương pháp này hiện được sử dụng song hành, tuỳ theo sự lưa chọn của người thiết kế Cũng như mọi Tiêu chuẩn khác của Mỹ, Tiêu chuẩn này không có tính bắt buộc mà chỉ mang tính chất thông tin giúp cho người kỹ sư trong công việc của mình Người sử dụng chịu hoàn toàn trách nhiệm về độ an toàn của công trình khi chọn cách tính theo Quy định này Tương ứng với mỗi vật liệu, ứng suất cho phép không có giá trị nhất định mà thay đổi theo trạng thái làm việc Ứng suất cho phép khi chịu kéo là Ft bằng 0,60 Fy (Fy là giới hạn chảy của thép) Ứng suất cho phép khi uốn là Fb bằng 0,6 đến 0,67 của Fy, tuỳ theo loại cấu kiện là đặc chắc hay không đặc chắc Ứng suất cho phép khi nén bằng Fy nhân với hệ số uốn dọc tuỳ thuộc theo độ mảnh của cấu kiện Vấn đề phức tạp nhất trong tính toán kết cấu thép là xác định đúng ứng suất cho phép Sau khi xác định được ứng suất cho phép thì chỉ so sánh nó với ứng suất làm việc tính bằng các công thức thông thường của SBVL Trong các công thức tính toán, các nội lực gây ra bởi tải trọng làm việc, không có hệ số vượt tải Điểm rất đặc biệt của Quy định AISC so với tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam là đã phân chia ra các loại cấu kiện có tiết diện đặc chắc, không đặc chắc và tiết diện mảnh Với tiết diện đặc chắc thì được phép sử dụng hết khả năng cho phép của vật liệu Quy định AISC chấp nhận việc cong vênh cục bộ của tiết diện, tức

là cho phép một số bộ phận của tiết diện không làm việc , bù lại sẽ giảm ứng suất cho phép đi để giữ nguyên độ an toàn Do đó nhiều quy định cấu tạo về độ mảnh bụng dầm hay cánh dầm, bụng cột hay cánh cột khác xa nhiều so với Tiêu chuẩn của ta Ví dụ, tỉ

số giữa bề cao và bề dày bản bụng của dầm theo TCVN thì tối đa là 100, quá trị số này

thì phải có sườn gia cường; theo AISC thì tỉ số này có thể tới 320 mà không cần sườn Những quy định như vậy rất có lợi trong việc giảm tổng trọng lượng thép khi thiết kế tạo thuận lợi cho chế tạo tự động hoá

Trong các lĩnh vực riêng, nước Mỹ có các Tiêu chuẩn chuyên ngành Về kết cấu thép, có các Tiêu chuẩn thông dụng được chấp nhận rộng rãi như sau: Về kết cấu hàn, có Tiêu chuẩn hàn (1996) của AWS American Welding Society; về thiết kế nhà tiền chế, có Chỉ dẫn về thiết kế nhà thép (1996) của MBMA Metal Building Manufacturers Association; về kết cấu thép tạo hình nguội, có sách chỉ dẫn (1989) của AISI American Iron and Steel

Có thể nhận xét rằng các tiêu chuẩn về thiết kế và chế tạo kết cấu thép của Mỹ

có nhiều điểm khác so với của Việt Nam, có chỗ khác rất nhiều (như trên đã nói) ví dụ: về tải trọng gió lên công trình, nói chung là gây nội lực nhỏ hơn; về số lượng tổ hợp tải trọng tính toán, giảm hơn so với Tiêu chuẩn Việt Nam; về thiết kế kết cấu, nói chung tổ hợp tải trọng lớn hơn, nhưng cho phép kể cả góc xoay tại nút và ổn định cục

bộ vào tính toán kết cấu chịu lực, nên tổng chi phí vật liệu cuối cùng có thể tiết kiệm hơn, cũng có trường hợp lại tốn vật liệu hơn hẳn Vì vậy khi thiết kế công trình, chỉ nên dùng một hệ thống Tiêu chuẩn, không nên dùng lẫn lộn cả hai, sẽ dẫn đến những kết quả phi lí

1.2.3 Giới thiệu chung hệ thống tiêu chuẩn Anh BS 5950

Tiêu chuẩn Anh BS 5950 là một bộ tiêu chuẩn lớn, mang tên:”Kết cấu thép sử dụng cho nhà “ ( Structural use of steelwork in building) thực tế là gồm các Tiêu chuẩn về thiết kế, chế tạo, dựng lắp, phòng cháy cho các loại kết cấu thép, được biên soạn bởi Ban kĩ thuật thuộc Ban tiêu chuẩn xây dựng công trình và nhà ( gồm các thành viên Hiệp hội kết cấu thép Anh, Ban đường sắt, Bộ môi trường, Học viện kết cấu thép, Học viện kỹ sư kết cấu, Học viện kỹ sư xây dựng, Học viện kiến trúc sư Hoàng Gia,…) và được phát hành bởi Viện tiêu chuẩn Anh (British Standard Institute) BSI Đó là bộ tiêu chuẩn quốc gia duy nhất ở nước Anh Trong các nước Tây Âu, Anh

là nước đi sớm nhất về việc dùng phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn Tiêu chuẩn BS 5950 sử dụng phương pháp này, đã được cải biên thay thế theo các năm Bản BS có các phiên bản năm 1985, 1990, và 2000 Phiên bản năm 2000 là bản tiêu chuẩn có cơ sở lý luận vững chắc, được hỗ trợ bởi nhiều bảng tính sẵn và tài liệu hướng dẫn kèm theo, là cơ sở chính để các nước Châu Âu biên soạn ra tiêu chuẩn Eurocode về kết cấu thép Điểm đặc biệt khi tính toán theo tiêu chuẩn BS 5950 là ứng suất cho phép khi tính toán lấy theo cường độ chảy của thép và hệ số độ mảnh ; Khi tính toán có kể đến cả yếu tố mômen và xoắn, được phép giảm ứng suất cho phép đi, tiết diện mảnh thì còn phải giảm ứng suất cho phép đi nhiều nữa Cũng như tiêu chuẩn AISC, tiêu chuẩn BS 5950 cũng cho phép kể đến biến dạng và ổn định cục bộ vào trong tính toán kết cấu (khác so với tiêu chuẩn TCXDVN 338:2005), nên sẽ có nhiều trưòng hợp tiết kiệm thép hơn TCXDVN Trên thế giới, tiêu chuẩn BS 5950 được biết đến và được chấp nhận sử dụng phổ biến nhất, đặc biệt là trong khối các nước châu Âu (ở châu Á có các nước như Singapore, Thái Lan, Malaysia, Hồng Công.v.v cũng sử dụng tiêu chuẩn này)

Tiêu chuẩn BS 5950:2000 là một bộ tiêu chuẩn lớn, gồm 9 phần được xuất bản riêng rẽ:

- Phần 1: Quy định thiết kế kết cấu đơn giản và liên tục ( tiết diện cán nóng)

- Phần 2: Quy định kỹ thuật đối với vật liệu, chế tạo và dựng lắp (tiết diện cán nóng)

- Phần 3: Thiết kế kết cấu hỗn hợp

- Phần 4: Quy định thiết kế sàn với bản sàn thép

- Phần 5: Tiêu chuẩn thiết kế tiết diện tạo hình nguội

- Phần 6: Tiêu chuẩn thiết kế tấm lợp, tấm sàn và tấm tường loại nhẹ

- Phần 7: Tiêu chuẩn kĩ thuật đối với vật liệu và chế tạo ( tiết diênh tạo hình nguội)

- Phần 8: Quy định thiết kế chống cháy

- Phần 9: Tiêu chuẩn thiết kế vỏ bọc chịu lực

Mục đích của BS 5950 là xác định tiêu chí chung cho việc thiết kế kết cấu thép nhà và các công trình liên quan, và chỉ dần cho người thiết kế các phương pháp thực hiện tiêu chí này Phần một, ký hiệu đầy đủ là BS 5950-1:2000, do Uỷ ban Chính sách các Tiêu chuẩn Anh ban hành và có hiệu lực từ 15 tháng 8 năm 2001, thay thế cho tiêu chuẩn cũ BS 5950-1: 1990 Phần 1 áp dụng cho việc thiết kế kết cấu đơn giản và liên tục bằng cấu kiện cán nóng, thực tế là phần lớn các kết cấu nhà được xây dựng hiện tại BS 5950 không xét thiết kế chịu động đất Tập tiêu chuẩn BS 5950-1:2000 gồm có

7 chương:

Chương 1: Đại cương;

Chương 2: Thiết kế theo trạng thái giới hạn;

Chương 3: Các tính chất của vật liệu và đặc trưng tiết diện;

Chương 4: Thiết kế các cấu kiện;

Chương 5: Kết cấu liên tục;

Chương 6: Liên kết;

Chương 7: Thử nghiệm bằng gia tải

1.2.4 Giới thiệu chung về hệ thống tiêu chuẩn Châu Âu

Tiêu chuẩn châu Âu Eurocodes là bộ tiêu chuẩn về kết cấu công trình (Structural Eurocodes) do tiểu ban kỹ thuật CEN/TC250 soạn thảo và được Uỷ ban châu Âu về tiêu chuẩn hoá (Comité Européen de Normalisation – CEN) ban hành để

áp dụng chung cho các nước thuộc liên minh Châu âu ( EU) Từ năm 1975, Uỷ ban cộng đồng châu Âu (The European Community) đã quyết định một chương trình hành động trong lĩnh vực xây dựng, trong đó đối tượng của chương trình là loại trừ những rào cản kỹ thuật trong thương mại và tiến tới hài hoà các quy định kỹ thuật Trong khuôn khổ của chương trình, một loại các quy tắc kỹ thuật trong thiết kế xây dựng đã được hình thành để thay thế cho các quy tắc tiêu chuẩn quốc gia các nước thành viên

Năm 1988 trong khuôn khổ của văn bản định hướng DI 89/106 ngày 01/12/1988 của Ban Tiêu chuẩn hoá Châu Âu đưa ra ý tưởng phải xây dựng hệ thống tiêu chuẩn xây dựng dùng chung cho châu Âu

Tiêu chuẩn châu Âu mang tên EUROCODES là tiêu chuẩn mà các nước châu

Âu thống nhất về quan niệm, về định hình kích thước kết cấu nhà cửa và công trình xây dựng liên quan đến vật liệu sử dụng, biện pháp thi công và công tác kiểm tra chất lượng Việc xây dựng và áp dụng EUROCODES được sự bảo trợ của hội đồng châu

Âu (CEE), phù hợp với thị trường xây dựng ở châu lục này

Vào năm 1990, hội đồng châu Âu giao cho ban tiêu chuẩn hoá châu Âu (CEN) soạn thảo EUROCODES và ban hành qui phạm Ban thư ký soạn thảo nằm tại Anh quốc và có chín tiểu ban soạn thảo chi tiết

Toàn bộ EUROCOES được chia thành nhiều phần, công việc được tiến hành trên 57 lĩnh vực Năm 1993 Ban tiêu chuẩn hoá châu Âu đã tuyển chọn xong các lĩnh vực chủ yếu Năm 1994 thành lập các ban xây dựng Hồ sơ thuộc các quốc gia (DAN)

để tiến hành chuyển dịch những tài liệu theo ngôn ngữ của các nước thành viên

Thời kỳ đầu, Ban tiêu chuẩn hoá châu Âu thoả thuận với hội đồng châu Âu gọi EUROCODES là tiêu chuẩn sơ bộ của châu Âu (ENV) Điều này có nghĩa tiêu chuẩn này mới là tiêu chuẩn thực nghiệm Những tiêu chuẩn này có giá trị (về lý thuyết) trong ba năm (và thường là kéo dài thêm một thời hạn hai năm nữa) Thời hạn này tạo

cơ hội cho Tiêu chuẩn châu Âu xâm nhập trong các dự án xây dựng Trong thời kỳ này, đồng thời với việc áp dụng tiêu chuẩn châu Âu, các tiêu chuẩn riêng của quốc gia thành viên vẫn có giá trị sử dụng Hết thời kỳ sơ bộ thì mọi tiêu chuẩn riêng biệt của quốc gia thành viên nào trái với các điều khoản của EUROCODES sẽ không được tuân thủ trong các thành viên của cộng đồng

Tại nước Pháp, khi tiêu chuẩn châu Âu được coi là tiêu chuẩn thực nghiệm thì kèm với từng tiêu chuẩn châu Âu, có một tài liệu chỉ dẫn sử dụng trong quốc gia (DAN) Tài liệu này chỉ rõ điều gì tiêu chuẩn của quốc gia khác với tiêu chuẩn châu

Âu trong thời kỳ tiêu chuẩn châu Âu mới là tiêu chuẩn sơ bộ Những điều sai khác được trình bày dưới ba dạng: Cần có giải thích, cần bổ sung thêm nữa và không có hiệu lực Tiêu chuẩn mà Pháp công bố là Tiêu chuẩn châu Âu cùng nhất trí và kèm theo tài liệu chỉ dẫn sử dụng trong quốc gia Thường tài liệu chỉ dẫn sử dụng trong quốc gia được trình bày tách riêng nhưng đính liền với tài liệu EUROCODES

Hệ thống tiêu chuẩn châu Âu về kết cấu công trình xây dựng bao gồm các tiêu chuẩn chính và các tiêu chuẩn khác tham chiếu theo các tiêu chuẩn chính Các tiêu chuẩn chính bao gồm:

- Eurocode 0: Cơ sở thiết kế

- Eurocode 1: Các tác động lên kết cấu

- Eurocode 2: Thiết kế kết cấu bê tông

- Eurocode 3: Thiết kế kết cấu thép

- Eurocode 4: Thiết kế kết cấu hỗn hợp thép – bê tông

- Eurocode 5: Thiết kế kết cấu gỗ

- Eurocode 6: Thiết kế kết cấu khốI xây gạch đá

- Eurocode 7: Thiết kế địa kỹ thuật

- Eurocode 8: Quan niệm và cách xác định kích thước các kết cấu để chống lại động đất

- Eurocode 9: Thiết kế kết cấu hợp kim nhôm

Đặc điểm chung của hệ thống các tiêu chuẩn nói trên là: (1) Mỗi tiêu chuẩn chia thành một số phần, trong đó phần chung nói về các quy định chung, các phần riêng nói

về các chuyên đề cụ thể (tổng cộng 58 phần trong bộ tiêu chuẩn Eurocodes); (2) nguyên tắc biên soạn tiêu chuẩn là chỉ nêu những yêu cầu, không quy định cứng nhắc

và quá chi tiết (như các tiêu chuẩn của Việt Nam hiện nay), tạo điều kiện cho người sử dụng có thể tiếp cận theo nhiều phương diện khác nhau; (3) Phụ lục quốc gia bao gồm các thông số theo yêu cầu của tiêu chuẩn sẽ do mỗi quốc gia nghiên cứu và lựa chọn

Tiêu chuẩn EN 1990 (những cơ sở thiết kế kết cấu) đưa ra nguyên tắc độ tin cậy, các trường hợp tổ hợp tải trọng và hệ số tổ hợp đối với kết cấu nhà và công trình Tiêu chuẩn EN 1991 (tác động lên kết cấu) bao gồm :

- EN 1991-1-1 : Tải trọng bản thân, hoạt tải,

- EN 1991-1-2 : Tác động lên kết cấu tiếp xúc với lửa,

- EN 1991-2 : Tải trọng lưu thông trên cầu),

- EN 1991-3 : Tác động của cầu trục và máy móc và

- EN 1991-4 : Tác động lên silô và bồn bể

Tiêu chuẩn EN 1992 : Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép bao gồm:

- EN 1992-1-1 : Nguyên tắc chung,

- EN 1992-1-2 : Thiết kế kết cấu chịu lửa,

- EN 1992 – Cầu bê tông cốt thép,

- EN 1992-3 : Kết cấu tường cứng và bể chứa chất lỏng

Tiêu chuẩn EN 1993 : Thiết kế kết cấu thép bao gồm:

- EN 1993-1-1 : Nguyên tắc chung,

- EN 1993-1-2 : kết cấu chịu lửa,

- EN 1993-1-3 : Cấu kiện thép tạo hình nguội,

- EN 1993-1-4 : Thép không gỉ

- EN 1993-1-5 : Cấu kiện tấm,

- EN 1993-1-6 : Độ bền và ổn định của kết cấu vỏ,

- EN 1993-1-7 : Độ bền và ổn định của kết cấu từ thép tấm chịu tải trọng ngang),

- EN 1993-1-8: Thiết kế mối nối

- EN 1993-1-9 : Độ bền mỏi của kết cấu thép,

- EN 1993-1-10: Lựa chọn vật liệu có tính bền dai,

- EN 1993-1-11 : Thiết kế kết cấu với bộ phận chịu kéo bằng thép,

- EN 1993-1-12 : Các nguyên tắc bổ sung cho phép cường độ cao,

- EN 1995-1-2: Kết cấu chịu lửa

- EN 1995-2 : Một số nội dung bổ sung cho EN 1995-1-1

Tiêu chuẩn EN 1996 : Thiết kế kết cấu gạch đá bao gồm:

- EN 1996-1-1 : Nguyên tắc chung,

- EN 1996-1-2 : Kết cấu chịu lửa,

- EN 1996-2 : Những vấn đề thiết kế, lựa chọn vật liệu và thi công khối xây,

- EN 1996-3 : Phương pháp tính toán đơn giản cho khối xây không cốt thép

Tiêu chuẩn EN 1997 : Thiết kế địa kỹ thuật bao gồm:

- EN 1997-1: Thiết kế địa kỹ thuật,

- EN 1997-2 : Khảo sát và thí nghiệm đất nền,

- EN 1997-3 : Thiết kế dựa vào thí niệm hiện trường

Tiêu chuẩn EN 1998 : Thiết kế kết cấu chịu động đất bao gồm:

- EN1998-1 : Nguyên tắc chung,

- EN 1999-1-2 : Kết cấu chịu lửa,

- EN 1999-2 : Mỏi của kết cấu

Theo lộ trình đã được quyết định, đến năm 2010 toàn bộ các nước trong Liên minh châu Âu sẽ áp dụng thống nhất tiêu chuẩn Eurocode trong lĩnh vực thiết kế xây dựng( Anh Quốc áp dụng từ 2007, thay thế toàn bộ tiêu chuẩn mang mã hiệu BS bằng tiêu chuẩn eurocode mang mã hiệu BS EN; Pháp thay thế tiêu chuẩn NF bằng NF EN) Cho đến nay tất cả các nước trong Liên minh châu Âu(EU) đã thống nhất áp dụng hệ thống tiêu chuẩn Eurocode Đó là các nước Anh, Áo, Ba Lan, Bỉ, Bồ Đào Nha, Cộng Hoà Séc, Đan Mạch, Đức, Estonia, Litva, Luxembua, Na Uy, Malta, Hà Lan, Hungary,

Hy Lạp, Italia, Pháp, Phần Lan, Síp, Slovakia, Tây ban Nha, Thụy Điển, Thụy Sĩ Quá trình chuyển dịch và áp dụng ở các nước được thống nhất vào năm 2010, tuy nhiên cho đến nay chưa có nước nào hoàn thành chuyển dịch bộ hệ thống tiêu chuẩn Eurocode, thậm chí cả Anh Quốc và Pháp Tại Anh Quốc, theo “Chiến lược quốc gia áp dụng Eurocodes” của văn phòng Phó Thủ Tướng Anh, việc nghiên cứu các phục lục quốc gia và chuẩn bị cho việc áp dụng tiêu chuẩn Eurocodes cũng mất hơn 15 năm với kinh phí ước tính lên tới hơn 10 trệu bảng Anh (khoảng 300 tỷ đồng Việt Nam ) Nhiều nước khác trên thế giới cũng đặt biệt quan tâm đến các tiêu chuẩn châu Âu Eurocodes như Nga, Ucraina, Bungari, Nhật Bản, Trung Quốc, Malaysia, Singapore, Việt Nam, các nước trong vùng Caribe, Vào tháng 11/2006, tại Singapore dã diễn ra Hội nghị quốc tế về việc áp dụng Eurocodes, trong đó có thảo luận nhiều về Eurocode 7 (Thiết

kế địa kỹ thuật)

Khi áp dụng hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes, ngoài nội dung tiêu chuẩn đã được thống nhất, phần phụ lục Quốc gia (National Annex) kèm theo tiêu chuẩn có vai trò hết sức quan trọng đối với mỗi nước Trong phụ lục này, các thông số tính toán và thiết kế phải được nghiên cứu và lựa chọn phù hợp với điều kiện tự nhiên, vật liệu và trình độ công nghệ của mỗi nước Do đó, dây không đơn thuần chỉ là việc dịch thuật

mà còn là nhiệm vụ nghiên cứu hết sức phức tạp, khối lượng công việc rất lớn, đòi hỏi

sự dầu tư trí tuệ và nguồn lực để hoàn thành các công việc nghiên cứu, chuyển dịch, phổ biến và áp dụng Eurocodes ở mỗi nước

Ngoài những tiêu chuẩn chủ yếu về kết cấu xây dựng nói trên, có hơn 100 tiêu chuẩn châu Âu khác về vật thí liệu, thí nghiệm, thi công, quản lý chất lượng cũng được tham chiếu theo các tiêu chuẩn Eurocodes Có thể nêu ra đây một số tiêu chuẩn : EN

197 (Xi măng; gồm 4 phần cho việc đánh giá phù hợp chất lượng); EN 196 ( Các phương pháp thí nghiệm xi măng; gồm 21 phần); EN 10080 (Thép làm cốt cho bê tông); EN 206-1( Bê tông Điều kiện kỹ thuật, tính năng, sản xuất và sự phù hợp ); EN

12620 (Cốt liệu cho bê tông); EN 933 (Thí nghiệm các tính chất chung của cốt liệu );

EN 12350 (Thí nghiệm bê tông tươi; gồm 7 phần); EN 10025 ( Sản phẩm thép cấu cán nóng, gồm 6 phần); EN 1090 (Thi công kết cấu thép); EN 1536 (Thi công địa kỹ thuật đặc biệt Cọc khoan nhồi ); EN 1538 ( Thi công địa kỹ thuật đặc biệt Tường trong đất ( Diaphragm); ENISO 22476 ( Khảo sát và thí nghiệm địa kỹ thuật); EN 473 ( Thí nghiệm không phá hoại Phân loại và cấp chứng chỉ cho người thí nghiệm NDT Nguyên tắc chung); …

Theo kế hoạch, ở nước ta một số tiêu chuẩn Eurocodes đang được Bộ xây dựng cho nghiên cứu và chuyển dịch thành tiêu chuẩn Việt Nam Phương pháp chung để chuyển dịch là: chấp nhận và chuyển dịch nguyên văn toàn bộ nội dung của tiêu chuẩn ( theo nguyên tắc chung đã được các nước châu Âu chấp thuận); nghiên cứu và đưa ra các thông số để thành lập các Phụ lục Quốc gia, trong đó có việc soát xét lại các TCVN hoặc TCXDVN đã ban hành (một số tiêu chuẩn Việt Nam đã chuyển dịch từ tiêu chuẩn ISO, tương thích với các tiêu chuẩn được trích dẫn trong Eurocodes)

1.3 Mục tiêu và nội dung của đề tài

Xuất phát từ yêu cầu xây dựng đồng bộ hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam theo hướng đổi mới, hội nhập; và từ yêu cầu thực tế thiết kế gặp nhiều khó khăn khi chưa hiểu rõ các tiêu chuẩn nước ngoài nên áp dụng chúng một cách máy móc, thiếu tính đồng bộ, thống nhất Do đó đề tài này nhằm khảo sát phân tích về quan niệm, về phương pháp xác định tải trọng, về sử dụng vật liệu, và khảo sát phương pháp tính toán cấu kiện của các tiêu chuẩn: TCXDVN 338:2005; Tiêu chuẩn Mỹ AISC/ASD, AISC/LRFD, Anh BS5950 : part 1:2000 và Châu Âu EN 1993 – 1- 1: 2005 và ứng dụng vào tính toán cụ thể Trên cơ sở đó, rút ra kiến nghị cách sử dụng một số tiêu chuẩn nước ngoài vào điều kiện Việt Nam như thế nào là hợp lý và đồng bộ Việc làm này cũng giúp người thiết kế hiểu và áp dụng đúng trong tính toán thiết kế, phù hợp với yêu cầu cụ thể của công trình Do điều kiện thời gian và khuôn khổ giới hạn, Luận văn chỉ nghiên cứu chủ yếu về cấu kiện tiết diện chữ I chịu nén lệch tâm và nén uốn Nội dung bao gồm:

Chương 1 Phần mở đầu

Chương 2 Các cơ sở thiết kế kết cấu thép

Chương 3 Cấu kiện chịu nén (đúng tâm và lệch tâm)

Chương 4 Một số ví dụ tính toán so sánh, áp dụng

Chương 5 Kết luận và kiến nghị

Chương II – CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 2.1 Nguyên tắcchung dùng trong thiết kế

2.1.1.Các nguyên tắc cơ bản thiết kế theo TCXDVN 338:2005

a Trạng thái giới hạn theo TCXDVN 338:2005

Tiêu chuẩn TCXDVN 338:2005 sử dụng phương pháp tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn Trạng thái giới hạn là trạng thái mà khi vượt quá thì kết cấu không còn thoả mãn các yêu cầu sử dụng hoặc dựng lắp Các trạng thái giới hạn gồm:

Trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực (KNCL) là trạng thái mà kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực, sẽ bị sụp đổ hoặc hư hỏng, làm nguy hại đến sự an toàn của con người, của thiết bị Đó là các trường hợp: Kết cấu không đủ độ bền (phá hoại bền), hoặc kết cấu bị mất ổn định, hoặc kết cấu bị phá hoại dòn, hoặc vật liệu kết cấu bị chảy dẻo

Trạng thái giới hạn về sử dụng (GHSD) là trạng thái mà kết cấu không còn sử dụng bình thường được nữa do bị biến dạng quá lớn hoặc do hư hỏng cục bộ Các trạng thái giới hạn này gồm: trạng thái giới hạn về độ võng và biến dạng làm ảnh hưởng đến sử dụng bình thường của thiết bị máy móc, của con người hoặc làm hỏng

sự hoàn thiện của kết cấu, sự rung động quá mức, sự han gỉ quá mức

b Hệ số tin cậy theo TCXDVN 338:2005

Khi tính toán kết cấu sử dụng các hệ số tin cậy như sau:

- Hệ số độ tin cậy về cường độ vật liệu M (xem mục 2.3.1)

- Hệ số độ tin cậy về tải trọng Q Khi tính toán theo giới hạn về KNCL, sử dụng tải trọng tính toán là tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số Q (gọi là hệ số vượt tải hoặc hệ

số tin cậy tải trọng) Khi tính toán theo trạng thái giới hạn về sử dụng và tính toán về mỏi thì dùng tải trọng tiêu chuẩn

- Hệ số điều kiện làm việc của kết cấu (ĐKLV) C Khi kiểm tra KNCL của các kết cấu thuộc những trường hợp nêu trong bảng 3 TCXDVN 338:2005, cường độ tính toán của thép và của liên kết phải được nhân với hệ số ĐKLV để kể đến sự làm việc bất lợi của kết cấu so với bình thường

2.1.2 Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo Tiêu chuẩn Mỹ AISC/ASD

Theo Tiêu chuẩn AISC/ASD áp dụng phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép (cũng còn gọi là thiết kế theo ứng suất làm việc) Cơ sở của phương pháp này là như sau: Mọi cấu kiện, và các liên kết phải được chọn kích thước sao cho ứng suất gây bởi tải trọng làm việc không vượt quá ứng suất cho phép đã quy định trước Tiêu chuẩn ấn định giá trị ứng suất cho phép để có một độ an toàn trước khi đạt tới một ứng suất giới hạn không vượt quá, như là ứng suất chảy tối thiểu của thép, hoặc ứng suất oằn (vì tại các ứng suất này thì xảy ra phá hoại) Ứng suất cho phép lấy bằng ứng suất giới hạn ( như giới hạn chảy Fy hoặc ứng suất tới hạn Fcr), chia cho hệ số an toàn FS (factor of safety) Hệ số an toàn đảm bảo một lượng dự trữ về khả năng chịu lực cho kết cấu Cần có dự trữ khả năng chịu lực để xét đến khả năng quá tải (tải trọng vượt quá tải trọng dự kiến khi sử dụng bình thường còn gọi là tải trọng làm việc) và khả

năng chịu lực bị hạ thấp do kích thước thép bị thiếu hụt hoặc do cường độ của thép sử dụng trong kết cấu thực tế có thể thấp hơn giá trị tối thiểu đã quy định

Để xác định hệ số an toàn FS, cần xét đến nhiều yếu tố Đương nhiên là độ bền tối thiểu phải lớn hơn ứng suất gây bởi tải trọng lớn nhất một lượng nào đó Giả thiết ứng suất thực tế (hoặc tải trọng thực tế, cũng vậy) vượt quá ứng suất thiết kế S ( hoặc

là tải trọng sử dụng ) một lượng S, và độ bền thực tế là nhỏ hơn độ bền danh nghĩa R một lượng R Kết cấu muốn an toàn thì ít nhất phải có:

R/R, chứ chưa xét các yếu tố khác Nếu giả thiết rằng sự quá tải ngẫu nhiên S/S có thể lớn hơn giá trị danh nghĩa 40% và giả thiết sự chịu lực kém R/R có thể nhỏ hơn giá trị danh nghĩa 15% sẽ có hệ số an toàn:

1 0, 4 1, 65

1 0,15

R FS S



 (2.3) Tiêu chuẩn AISC dùng FS = 1,67 là giá trị cơ bản của thiết kế theo ứng suất cho phép, ứng suất cho phép là ứng suất giới hạn chia cho hệ số an toàn FS, tức là Fy/1,67

= 0,67Fy (dùng cho dầm và cấu kiện chịu kéo) Với các trường hợp khác (cột, liên kết, v.v.) thì dùng các giá trị FS khác Điều A5.2 của Tiêu chuẩn AISC có một quy định quan trọng sau: ứng suất cho phép có thể được tăng thêm 1/3 so với giá trị thông thường nếu trong tổ hợp tải trọng tính toán có tải trọng gió (hoặc động đất)

2.1.3 Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo Tiêu chuẩn Anh BS5950:PART 1:2000

a Thiết kế theo trạng thái giới hạn

BS 5950 áp dụng phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn Theo phương pháp này, một số tiêu chí được chọn ra để đánh giá việc thực hiện công năng của kết cấu và được kiểm tra xem có thoả mãn không

Các tiêu chí được chia ra làm hai nhóm là nhóm trạng thái cực hạn (phá huỷ) và nhóm trạng thái sử dụng Sự phân chia này, qui định theo bảng II.1 sau đây:

Bảng II.1 – Các trạng nhóm thái giới hạn theo BS 5950

- Độ bền chịu lực ( bị phá hoại, bị oằn, bị

Hệ số an toàn được dùng trong thiết kế để xét đến các sự biến động của tải trọng, của vật liệu v.v…, mà sự biến động này không thể đánh giá một cách chính xác được Hệ số an toàn phải bao quát được các vấn đề:

- Do biến động của tải trọng;

- Các tổ hợp có thể có của tải trọng (hoặc do cách tác dụng của tải trọng);

- Ảnh hưởng của phương pháp thiết kế;

- Ảnh hưởng của phương pháp chế tạo, lắp dựng;

- Do biến động của vật liệu;

Hệ số an toàn có thể áp dụng vào toàn bộ một thiết kế (gọi là hệ số an toàn chung) hoặc vào nhiều mục của thiết kế (gọi là hệ số an toàn bộ phận) Phương pháp ứng suất cho phép chỉ dùng một hệ số an toàn chung duy nhất, còn phương pháp trạng thái giới hạn thì dùng nhiều hệ số an toàn bộ phận Đây là hệ số an toàn thông dụng nhất trong thiết kế kết cấu thép:

1)Hệ số an toàn tải trọng  

Hệ số này được nhân với tải trọng tiêu chuẩn (tải trọng danh nghĩa) để thành tải trọng tính toán (tải trọng đã gia tăng) Hệ số f xét sự biến động về giá trị của tải trọng, các tổ hợp tải trọng và xét cả phương pháp thiết kế Nó được viết thành tích số của các

hệ số

f = 11 12 ps pm = 1 p (2.4) Trong đó :

- 11 xét sự sai khác cỏ thể có của tải trọng so với giá trị quy định;

- 12 xét xác suất xuất hiện đồng thời nhiều tải trọng với giá trị lớn nhất quy định; tích hai hệ số này 1 gọi là hệ số tải trọng;

- ps xét đến sự sai khác của kết cấu so với mô hình tính toán;

- pm xét đến sự sai khác của vật liệu kết cấu với giả thiết vật liệu dùng trong tính toán Tích của hai hệ sô này p được gọi là hệ số kết cấu

Các giá trị của  được cho trong Bảng II.2 dưới đây (trích từ bảng 2, BS 5950)

Bảng II.2 - Hệ số an toàn tải trọng 

2)Hệ số an toàn cường độ vật liệu  m

Hệ số này được lấy bằng 1,0 Lấy m =1 không có nghĩa là không có dự trữ an toàn cho

độ bền vật liệu, mà thực ra dự trữ này đã được xét khi quy định cường độ tính toán của vật liệu Quả vậy, hệ số này có thể viết thành :

Trong đó : m1 ,m2 là hệ số an toàn bộ phận của vật liệu, xét sự biến động của tính chất vật liệu và cả phương pháp chế tạo và dựng lắp Giá trị của các hệ số này được đưa vào giá trị của cường độ tính toán của thép Py (được xét tại mục 2.3.3 dưới đây)

2.1.4 Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-1:2005

a Thiết kế theo trạng thái giới hạn

EN 1993 – 1- 1:2005 quy định tính toán kết cấu thép theo trạng thái giới hạn Kết cấu được thiết kế sao cho không vượt quá trạng thái giới hạn của nó Các trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực (trạng thái giới hạn thứ nhất) là các trạng thái kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực, sẽ bị phá hoại, sụp đổ hoặc hư hỏng do biến dạng quá lớn hoặc do hư hỏng cục bộ làm nguy hại đến sự an toàn của con người, của công trình; Trạng thái giới hạn về độ võng và biến dạng gồm:

1- Do sự rung động quá mức, sự han gỉ quá mức dẫn đến việc hạn chế sử dụng công trình.; 2 - Làm hỏng sự hoàn thiện của kết cấu; 3 - Làm ảnh hưởng đến việc sử dụng bình thường của thiết bị máy móc, của con người

b Hệ số tin cậy

Theo Eurocode3 khi tính toán kết cấu thép sử dụng hệ số tin cậy sau:

- f , Sd : Hệ số an toàn về tải trọng;

- f xét sự sai khác có thể có của tải trọng thực tế so với giá trị quy định;

- Sd xét đến sự sai khác của kết cấu thực tế so với mô hình dùng trong tính toán;

- m , Rd : Hệ số an toàn vật liệu Xét đến sự biến động của tính chất vật liệu và sức chịu của kết cấu khi vật liệu của kết cấu thực sai khác với vật liệu của mô hình tính toán

Anh là một trong những nước đầu tiên ở châu Âu áp dụng phương pháp thiết kế kết cấu theo trạng thái giới hạn Tiêu chuẩn BS năm 1964 còn áp dụng phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép, đến phiên bản BS 5950 thứ nhất năm 1985 đã chuyển

sang thiết kế trạng thái giới hạn Liên xô từ năm 1955 đã sử dụng phương pháp này và Việt Nam đã sử dụng từ năm 1962 Về ý tưởng chung, các phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn của các nước đều tương đồng, tuy cách thể hiện và nội dung cụ thể

có đôi chỗ khác nhau BS chọn ra một số tiêu chí lớn để đánh giá việc thực hiện công năng của kết cấu và kiểm tra các tiêu chí đó xem có thoả mãn không TCVN gọi trạng thái giới hạn là trạng thái mà kết cấu không thể thoả mãn những yêu cầu đặt ra đối với công trình khi sử dụng, và chia các trạng thái giới hạn ra thành hai nhóm: nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất và nhóm trạng thái giới hạn thứ hai Thực chất, không có sự khác nhau giữa các tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn AISC/ASD áp dụng phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép

Cơ sở của phương pháp này là: Mọi cấu kiện và các liên kết phải được chọn kích thước sao cho ứng suất gây bởi tải trọng làm việc không vượt quá ứng suất cho phép

đã quy định trước Tiêu chuẩn ấn định giá trị ứng suất cho phép để có một độ an toàn trước khi đạt tới một ứng suất giới hạn không được vượt qua như là ứng suất chảy tối thiểu của thép, hoặc ứng suất oằn vì tại các ứng suất này thì xảy ra phá hoại Từ năm

1993, một phương pháp khác được AISC ban hành là phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số độ bền (Load and Resistance Factor Design) Cả hai phương pháp này được sử dụng song hành, tuỳ theo sự lựa chọn của người thiết kế

b Về hệ số an toàn

Các tiêu chuẩn TCXDVN 338:2005, BS 5950, Eurocode3 đều sử dụng hệ số độ tin cậy về tải trọng và hệ số an toàn về vật liệu Còn Tiêu chuẩn Mỹ AISC/ASD sử dụng một hệ số an toàn chung duy nhất FS (factor of safety ).Ứng suất cho phép lấy bằng ứng suất giới hạn (như giới hạn chảy Fy hoặc ứng suất giới hạn Fcr ),chia cho một

hệ số an toàn FS (factor of safety) Hệ số an toàn đảm bảo một lượng dự trữ về khả năng chịu lực cho kết cấu và cấu kiện Cần có dự trữ khả năng chịu lực để xét đến khả năng quá tải ( tải trọng vượt quá tải trọng dự kiến khi sử dụng bình thường) và khả năng chịu lực kém do kích thước tiết diện bị thiếu hụt hoặc do cường độ của thép sử dụng thực tế có thể thấp hơn giá trị tối thiểu đã quy định

Một đặc điểm của phương pháp trạng thái giới hạn là có nhiều hệ số an toàn (HSAT) bộ phận thay vì một HSAT duy nhất như của phương pháp ứng suất cho phép Mỗi hệ số an toàn bộ phận lại có thể là tích của nhiều HSAT bộ phận khác BS sử dụng hệ số an toàn như: HSAT về tải trọng f xét đến sự biến động của tải trọng Trong TCXDVN, HSAT về tải trọng được gọi là hệ số tin cậy về tải trọng Q hay còn gọi là hệ số vượt tải Hệ số này không bao gồm hệ số tổ hợp tải trọng HSAT tải trọng của BS lớn hơn nhiều so với tiêu chuẩn Việt Nam, ví dụ tĩnh tải là 1,4 so với 1,1; hoạt tải là 1,2 hoặc 1,3; gió là 1,4 so với 1,2 Hệ số an toàn về tải trọng theo tiêu chuẩn Eurocode thì với tải trọng thường xuyên (trọng lượng bản thân kết cấu, tải trọng thường xuyên sử dụng …) là 1,0 đến 1,35; với tải trọng thay đổi theo thời gian ( tải trọng gió, tải trọng tuyết …) là 1,5; Hệ số an toàn về cường độ vật liệu m được lấy bằng 1, do lượng an toàn dự trữ đã được xét khi quy định cường độ tính toán của vật liệu HSAT về vật liệu M theo TCXDVN được lấy từ 1,05 hoặc 1,10 tùy loại thép Tiêu chuẩn Việt Nam còn có các hệ số an toàn nữa là hệ sô điều kiện làm việc của kết cấu c, hệ số an toàn về chức năng công trình, mà BS không có

Nếu tính tổng hợp các hệ số an toàn thì HSAT theo TCXDVN nhỏ hơn theo

BS Có nghĩa là với cùng một loại vật liệu thép và cùng một tải trọng danh nghĩa phải

chịu thì kết cấu tính toán theo TCXDVN cần ít vật liệu hơn, tức là tiết kiệm hơn so với tính toán theo BS Hoặc nói theo cách khác, tính toán theo BS thì độ an toàn lớn hơn

2.2.Tải trọng kế sử dụng trong thiết kế

2.2.1.Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam

Tải trọng dùng trọng thiết kế được lấy theo TCVN 2737:1995 hoặc tiêu chuẩn thay thế tiêu chuẩn trên (nếu có)

Khi tính kết cấu theo các tới hạn về khả năng chịu lực thì dùng tải trọng tính toán là tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số độ tin cậy về tải trọng Q Khi tính kết cấu theo trạng thái tới hạn về sử dụng và tính toán về mỏi thì dùng trị số của tải trọng tiêu chuẩn Các trường hợp tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời (dài hạn, ngắn hạn

và đặt biệt ) tuỳ theo thời gian tác dụng của chúng:

Tải trọng và tác động thường xuyên bao gồm : Trọng lượng bản thân của kết cấu chịu lực, trọng lượng của một bộ phận nhà hoặc công trình được đỡ bằng các kết cấu chịu lực, trọng lượng và áp lực của đất, tác dụng của ứng suất trước, ứng lực tạo ra

do việc khai thác mỏ

Tải trọng tạm thời dài hạn gồm có: trọng lượng vách ngăn tạm thời, trọng lượng phần đất và bê tông đệm dưới thiết bị, trọng lượng của máy móc và thiết bị cố định, trọng lượng của chất lỏng và các vật liệu rời trong các thùng chứa, tải trọng lên sàn của các nhà kho, trọng lượng của sách trong thư viện, tác dụng dài hạn do nhiệt độ của các thiết bị, trọng lượng của các lớp bụi sản xuất bám vào kết cấu, trọng lượng của nước trên mái có cách nhiệt bằng nước, ứng lực trước trong các kết cấu ứng suất trước …

Tải trọng tạm thời ngắn hạn gồm có : trọng lượng người, vật liệu sữa chữa, phụ kiện, dụng cụ và đồ gá lắp trong phạm vi phục vụ và sữa chữa thiết bị; tác dụng của cầu trục; tác dụng của gió, trọng lượng của người, đồ đạc…

Tải trọng đặc biệt gồm có: tác động của động đất, của vụ nổ lên công trình, tải trọng do vi phạm quá trình công nghệ, do thiết bị trục trặc, hư hỏng tạm thời, tác động của biến dạng nền gây ra do thay đổi cấu trúc đất nền, tác động do biến dạng của mặt đất ở vùng có nứt đất, do ảnh hưởng của việc khai thác mỏ và do hiện tượng caxtơ

Các hệ số vượt tải là nhằm kể đến sự xê dịch sai khác của trị số tải trọng hoặc

kể đến sự vượt quá điều kiện sử dụng bình thường của kết cấu

Tác dụng đồng thời của một số tải trọng đạt giá trị cực đại thường ít xảy ra Vì vậy ở các tổ hợp tải trọng cần phân biệt tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt để nhân các

hệ số này tương ứng với xác xuất xảy ra của chúng

Tổ hợp cơ bản bao gồm tất cả các tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn và tải trọng tạm thời ngắn hạn gây bất lợi cho kết cấu hoặc bộ phận kết cấu Các tổ hợp tải trọng tính toán được biểu diễn bằng công thức sau:

CBI : ngG + npiPi và CBII : ngG + 0,9 npiPi (2.6) Trong đó : G – tĩnh tải (hoặc tải trọng thường xuyên) với ng - hệ số vượt tải của tĩnh tải G

Pi Hoạt tải thứ i với npi - hệ số vượt tải tương ứng với hoạt tải Pi

Tổ hợp tải trọng đặc biệt gồm tất cả tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn, tải trọng tạm thời ngắn hạn có thể xảy ra và một trong các tải trọng đặc biệt

Tổ hợp tải trọng đặc biệt có một tải trọng tạm thời thì giá trị của tải trọng tạm thời được lấy toàn bộ Khi tổ hợp tải trọng đặc biệt có hai tải trọng tạm thời trở lên, giá trị tải trọng đặc biệt được lấy không giảm, giá trị tính toán của các tải trọng tạm thời (hoặc nội lực tương ứng của chúng) được nhân với hệ số tổ hợp 1 = 0,95 với tải trọng tạm thời dài hạn và 2 = 0,8 với tải trọng tạm thời ngắn hạn (trừ những trường hợp ngoại lệ đã được nêu trong tiêu chuẩn động đất)

2.2.2 Tải trọng thiết kế theo Tiêu chuẩn Mỹ

Mỹ có nhiều tiêu chuẩn tải trọng do các cơ quan khác nhau biên soạn Đáng kể nhất và thông dụng nhất có các tiêu chuẩn sau: UBC Uniform Building Code do Hội nghị Quốc tế ngành xây dựng soạn, dùng nhiều trong các Bang miền Tây; SSBC Southern Standard buiding Code, bởi Đại hội Tiêu chuẩn xây dựng phía Nam dùng tại các bang miền Nam; BOCA National Building Code bởi Hội các nhà quản trị Tiêu chuẩn xây dựng quốc tế, dùng ở các bang Đông và Bắc Ngoài ra còn có Tiêu chuẩn của Hội kĩ sư xây dựng Hoa kì ASCE - American Society of Civil Engineers) Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa kì ANSI là những tổ chức soạn thảo và ban hành tiêu chuẩn xây dựng

Theo AISC/ASD, tải trọng danh nghĩa và tổ hợp tải trọng sẽ được quy định bởi tiêu chuẩn được áp dụng, tương ứng với những kết cấu được thiết kế hoặc yêu cầu bởi các điều kiện kèm theo Trong trường hợp không nêu tiêu chuẩn áp dụng cụ thể, tải

trọng và tổ hợp tải trọng được lấy theo tiêu chuẩn quốc gia - Minimum Design Load for Buildings and Other Structures, ASNI A58.1-1982 hoặc ASCE7 (American

Society of Civil Engineers) Nội dung cơ bản của tải trọng theo ASNI A58.1-1982 chia tải trọng tác dụng lên nhà và công trình được chia thành các loại sau:

1) Tĩnh tải (Dead load): Tải trọng có giá trị không đổi, vị trí cố định và tác dụng

trong suốt thời gian tồn tại của công trình Bao gồm các tải trọng sau đây: Trọng lượng bản thân kết cấu và các bộ phận của nhà và công trình (tường ngăn và bao che, trần, các lớp hoàn thiện, các thiết bị vệ sinh, các hệ thống đường ống và đường dây kỹ thuật trong công trình, v.v.)

2) Hoạt tải (Live load): Là tải trọng tác dụng lên một phần hoặc toàn bộ kết cấu;

Giá trị và sự phân bố của chúng trên kết cấu có thể thay đổi theo thời gian; Cường độ tối đa của tải trọng không được biết chính xác trong suốt thời gian tồn tại công trình Tải trọng thiết kế tối thiểu dùng cho kết cấu nhà và công trình khác (xem Bảng II.3) Ngoài tải trọng phân bố đều, tiêu chuẩn Mỹ còn quy định các tải trọng tập trung trên sàn [mục 4.3, ANSI A 58.1-1982] cần phải xét đến trong thiết kế, nếu tải trọng này gây nguy hiểm hơn so với tải trọng phân bố đều (xem Bảng II.4) Tải trọng tập trung được tính bằng đơn vị lb (pound) (hoặc kG) trên diện tích tập trung 2,5ft x 2,5ft = 6,25

& lối thoát hiểm

Bảng II.4 - Tải trọng tập trung theo ASNI A58.1-1982

3) Tải trọng gió (wind load): Theo Tiêu chuẩn xây dựng thống nhất Mỹ [mục 2317,

phần V, UBC], áp lực thiết kế gió tại chiều cao bất kỳ là:

Trong đó:

P - áp lực gió thiết kế tại chiều cao z, psf (hoặc kG/m2);

Ce - Hệ số tổng hợp các yếu tố chiều cao, địa hình và xung của gió; (xem Bảng II.6)

Cq - hệ số áp lực ; (xem Bảng II.5)

qs – áp lực gió tại chiều cao 10 m (33ft), trên vùng đất có diện tích thuộc loại địa hình C psf (kG/cm2); (xem Bảng II.7)

I - hệ số tầm quan trọng của công trình; (xem Bảng II.8)

- Hệ số tổng hợp Ce có liên quan đến dạng địa hình theo phân loại của Tiêu chuẩn xây dựng thống nhất của Mỹ [mục 2.3.1.2, phần V, UBC]:

+ Địa hình B: các vùng có nhà cửa, rừng cây cao trên 6 m (20ft) với mật độ chiếm ít nhất bằng 20% khu vực mở rộng ra cách công trình ít nhất là 1,6 km

+ Địa hình C: địa hình bằng phẳng, trống trải, mở rộng ra cách công trình ít nhất là 0,8 km

+ Địa hình D: địa hình thường xuyên chịu ảnh hưởng của gió với tốc độ trên 130km/h, nhà hướng về phía vùng mặt nước với chiều rộng trên 1,6 km, vùng đất liền cách bờ biển 400 m hoặc cách bờ biển một khoảng bằng 10 lần chiều cao công trình

- Khi tính toán tải trọng lên ngôi nhà theo TCVN 2737-95, ngôi nhà được coi như 1 hộp đóng kín, nên chỉ có áp lực thể hiện qua hệ số khí động c bên ngoài nhà Tiêu chuẩn của các nước Mỹ, Anh, Châu Âu đều xét đến áp lực trong nghĩa là xét đến gió có thể lọt vào nhà qua cửa không đóng hết, thậm chí qua khe tường, khe mái dù cửa đóng hết để gây áp lực bên trong Hệ số, sự thấm lọt bên trong có thể là đẩy, có thể là hút, không thể khẳng định được Lực này thể hiện bằng hệ số khí động Ci có dấu +/- với giá trị tuyệt đối là 0,2 (Anh, Mỹ) đến 0,3 (Anh, Úc) Khi thiết kế phải dùng hệ

số tổng hợp là C = Ce + Ci , và chọn giá trị Ci sao cho nguy hiểm nhất

Bảng II.5 - Hệ số áp lực Cq

- Tường phía hút gió

+0,8 -0,5 (1) Mái, gió thổi vuông góc với mái nhà

+Mái phía hút gió, mái bằng + Mái phía đón gió

+1,2 -1,2 -1,6

hiên) Tường lan can, tường chắn

(2) Mái + Kết cấu kín hay không kín

-1,7 -1,6 hoặc +0,8 -1,7 hoặc +1,7

4 Ống khói, bồn

bể, tháp đặc

+ Tiết diện vuông, chữ nhật + Tiết diện lục giác, bát giác + Tiết diện tròn, elíp

1,4 1,1 0,8

Đường chéo Thẳng góc + Tiết diện tam giác

4,0 3,6 3,2

1,0 0,8 1,3

Bảng II.6 - Hệ số tổng hợp Ce (độ cao, địa hình, xung của gió)

80 (130)

90 (145)

100 (160)

110 (175)

120 (190)

130 (210)

Áp lực gió, psf

(kG/m2)

12,6 (60)

16,4 (80)

20,8 (100)

25,6 (125)

31,0 (150)

36,9 (180)

43,3 (210) Ghi chú : Với Vs là tốc độ cao 10m (33ft) Dấu (+ ) trước các hệ số là áp lực gió đẩy, dấu (-) là gió hút Các số không có dấu là lực gió tác dụng theo hướng bất kỳ và trên diện tích hình chiếu thẳng góc với hướng gió

Bảng II.8 - Hệ số tầm quan trọng I (để tính tải trọng gió )

Ghi chú: [bảng 23K, Occoupancy Categories, UBS]

(I.)Các cơ sở hạ tầng quan trọng: Bệnh viện, cơ sở y tế, trạm cứu hoả, các bể chứa nước dự trữ cho sinh hoạt và chữa cháy, trạm xe cấp cứu, trạm điện, trung tâm thông tin di động của Nhà nước;

(II.)Các cơ sở hạ tầng có mức độ rủi ro: các công trình chứa một số lượng lớn chất độc hại, có khả năng nguy hiểm đến cộng đồng;

(III.)Các công trình có người cư trú: Các công trình công cộng chứa trên 300 người, trường học trên 500 sinh viên, cơ sở y tế trên 50 người cư ngụ, tất cả các công trình có trên 5.000 cư ngụ

(IV )Các công trình có mức độ người cư trú tiêu chuẩn: Các công trình không liệt kê ở trên

Theo Tiêu chuẩn xây dựng thống nhất Mỹ [mục 2331, phần V, UBC], đối với kết cấu dễ bị ảnh hưởng dưới tác dụng của động lực học, cẩn phải xét theo tiêu chuẩn riêng Các kết cấu dạng này gồm: nhà có tỷ lệ chiều cao/ chiều rộng lớn hơn 5, nhà cao hơn 120m (400ft), các kết cấu rất nhạy với ảnh hưởng của gió lốc và giao động mạnh 4) Tải trọng động đất: Tải trọng động đất sẽ được trình bảy trong tài liệu khác

5) Tải trọng khác : Các loại tải trọng khác tác dụng lên nhà và công trình có thể bao gồm : áp lực thuỷ tĩnh của chất lỏng, áp lực đất, tải trọng tuyết, áp lực do tác dụng của

lũ, v.v…

Bảng II.9 - Hệ số tổ hợp tải trọng cơ bản theo một số tiêu chuẩn

1) 1,0 D 2) 1,0 D+1,0L 3) 1,0 D+1,0W 4)

1) 1,4 D 2) 1,2 D+1,6L 3)

1,2 D+1,0L+1,6W

5) 0,75 D+0,75W

6) 0,75 D+0,75E

1,0 D+1,0L+1,0W 5) 1,0 D+1,0W 6)

1,0 D+1,0L+1,0E 7) 1,0 D+1,0E

D+0,75L+0,75W 5) 0,6 D-W 6) 1,0 D+0,75E 7)

D+.75L+.75(0,7)E 8) 0.6D-(0,7)E Với IBC thì sử dụng hệ số 0,75E, thay cho (0,7)E

4) 0,9 D  1,6W 5)

1,2 D+1,0L +0,1E 6) 0,9 D  1,0E

Ghi chú: ( theo Điều A5.2 của AISC – ASD 1989: ứng suất cho phép của vật liệu có thể được tăng thêm 1/3 giá trị thông thường nếu tính toán với tải trọng gió hay động đất), trang 5-30 Tức là với tổ hợp 4-7 thì ứng suất cho phép có thể lấy tăng thêm 1/3 Với D:

là tĩnh tải; L là hoạt tải; W tải trọng gió; E là tải trọng động đất

2.2.3 Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn Anh

BS 5950 quy định tải trọng sẽ tuân theo các tiêu chuẩn sau: BS 6399: phần 1 – cho tĩnh tải và hoạt tải; phần 3 – cho hoạt tải trên mái Riêng tải trọng gió thì có thể dùng Tiêu chuẩn BS 6399: Part 2 (ấn bản mới nhất năm 1997) hoặc có thể Tiêu chuẩn cũ năm 1972 (soát xét năm 1993) CP3 : Chapter V : Part 2

2.2.3.1 Tải trọng tĩnh, tải trọng áp đặt ( hoạt tải )

- Tải trọng tĩnh bao gồm : Trọng lượng bản thân của cấu kiện thép, các bộ phận cố định của nhà và công trình Tải trọng tĩnh được tính toán dựa vào trọng lượng riêng của vật liệu, và nhân với hệ số an toàn của tải trọng tĩnh

- Hoạt tải bao gồm các tải trọng tạm thời sau: Tải trọng trên sàn do người, đồ đạc, tải trọng trên sàn do người, do tác động sữa chữa; tải trọng do thiết bị như cầu trục, máy móc khác; vách ngăn di chuyển được Mọi hoạt tải đều là tải trọng tạm thời và được nhân với hệ số an toàn của tải trọng tạm thời Một số giá trị của hoạt tải được cho trong bảng sau trích từ BS 6399 Part 2 and Part 3

Bảng II.10 - Trị số của tải trọng áp đặt ( hoạt tải)

Mái không có người lên

0

2.2.3.2 Tải trọng gió theo CP3 chương V, phần 2

a Tốc độ gió thiết kế : tốc độ gió thiết kế được tính theo công thức dưới đây

Vs = V x S1 x S2 x S3 (2.8) Với V là tốc độ gió cơ bản và S1, S2 ,S3 là các hệ số tốc độ gió thiết kế V là tốc

độ trung bình lấy trong 3 giây, lớn nhất với chu kỳ 50 năm, đo tại độ cao 10m trên mặt đất trống Tốc độ này được đo tại các trạm khí tượng và được thống kế qua các năm để trở thành tiêu chuẩn của mỗi quốc gia CP3 cho một bản đồ của nước Anh với các giá trị của V tại các vùng, nhỏ nhất là 37 m/s tại vùng LonDon và lớn nhất là 56 m/s tại các đảo phía bắc Các hệ số tốc độ gió gồm có:

- Hệ số địa hình S 1 : Tốc độ gió cơ bản V mới xét đến độ cao của khu đất so với

mực nước biển, chưa xét đến các đặc điểm địa hình như đồi, thung lũng Hệ số địa hình S1 xét đến các biến đổi cục bộ trên mặt đất Khi độ dốc trung bình của đất không quá 0,05 trong vòng bán kính 1km của khu đất, khu đất được coi như bằng phẳng và S1được lấy bằng 1,0 Gần đỉnh đồi hay ngọn vách núi, gió được tăng tốc, hệ số địa hình

S1 lớn hơn 1 , và nằm trong phạm vi từ 1,0 đến 1,36 (xem phụ lục D – Tiêu chuẩn CP3)

- Hệ số S 2 : Xét sự biến thiên của tốc độ gió bởi ảnh hưởng liên hợp của độ nhấp

nhô của mặt đất với độ cao và kích thước của nhà hay bộ phận nhà đang tính toán Theo Bảng II.11 độ nhấp nhô được chia làm bốn loại như sau:

+ Độ 2: Mặt đất bằng phẳng có hàng rào hay tưòng xung quanh, rải rác xây cối

và nhà Đây là trường hợp đa số trang trại vùng quê

+ Độ 3: Mặt đất có nhiều vật cản lớn như khu vực có rừng, thị trấn, ngoại ô hay thành phố lớn

+ Độ 4: Mặt đất có nhiều vật cản lớn cao trung bình 25 m hay hơn như trung tâm thành phố

Xét đến độ lớn của tường, mái che và kích thước của nhà và bộ phận được chia làm ba lớp như sau:

Lớp A: Mọi bộ phận tường, mái, kính và liên kết của chúng cũng như các cấu kiện của công trình không được bao che

Lớp B: Mọi nhà và công trình mà kích thước ngang hay kích thước đứng lớn nhất không quá 50 m

Lớp C: Mọi nhà và công trình mà kích thước ngang hay kích thước đứng lớn

nhất vượt quá 50 m Giá trị bảng II.11 (trích bảng 3 của CP3)

- Hệ số S 3 : Hệ số này xét đến mức độ an toàn cần có và khoảng thời gian mà kết

cấu phải chịu gió Thông thường, tải trọng gió lên công trình đã làm xong, với thời gian tồn tại là 50 năm, sẽ được tính toán với S3 = 1

b Áp lực động của tải trọng gió:

Áp lực động của gió q được tính từ tốc độ gió thiết kế Vs theo công thức:

q = k Vs2 (k=0,613 theo đơn vị SI: N/m2 và m/s) (2.9)

c Hệ số áp lực và hệ số lực: Để xác định lực tác động, áp lực động q sẽ được nhân với

một hệ số tuỳ thuộc vào hình dạng của nhà hay công trình hoặc bộ phận của chúng Có hai loại hệ số này: Hệ số áp lực Cp và hệ số lực Cf

nhà Diện tích của bề mặt nhân với hệ số áp lực và áp lực động sẽ cho tải trọng gió tác dụng theo phương vuông góc với bề mặt Khi tính tải trọng gió trên từng cấu kiện riêng lẻ như tường hay mái, cần chú ý sự sai khác áp lực giữa các bề mặt đối nhau của cấu kiện Mặt phía ngoài đón gió thì có hệ số áp lực ngoài Cpe, mặt phía trong thì dùng

hệ số áp lực Cpi Lực tác dụng F vuông góc với bề mặt của cấu kiện là:

Trong đó A là diện tích bề mặt của cấu kiện Giá trị F âm có nghĩa là lực hướng

ra ngoài Giá trị của Cpe được cho trong các bảng từ 7 đến 15 của CP3 Giá trị của Cpi

đối với phần lớn các trường hợp làm nhà mà mặt tường có thể phần nào cho gió lọt qua (qua cửa sổ, cửa chớp) mà không có lỗ mở lớn trong lúc gió bão, được lấy một trong hai số, chọn số bất lợi nhất, là +0,2 và -0,3 Số trên ứng với trường hợp gió thổi vào bề mặt cho gió lọt qua, số dưới ứng với trường hợp không cho gió lọt qua Khi có thể có lỗ mở lớn thì Cpi lấy bằng 75% giá trị Cpe ở bên ngoài lỗ mở

- Hệ số lực C f : Hệ số này áp dụng vào tổng thể toàn nhà hay công trình, dùng

nhân với diện tích gió hữu hiệu Ac của nhà hay công trình và nhân với áp lực động q cho tổng lực gió lên công trình:

Trong đó: Cf là hệ số hợp lực cho tại bảng 10 của CP3 và F là lực tác dụng theo hướng gió

- Lực ma sát kéo theo: Trong một số nhà có hình dạng đặc biệt, phải kể thêm

lực ma sát kéo theo để cộng với lực gió đã tính ở trên Với nhà hình chữ nhật có bao che, khi chỉ số d/h hay d/b là lớn hơn 4, trong đó d là chiều dài (kích thước theo phương gió) là b là chiều rộng (kích thước đo vuông góc với phương gió), h là chiều cao nhà thì cần cộng thêm lực ma sát kéo theo tính theo công thức:

Khi h  b thì F’ = Cf’ qb (d-4h) + Cf’ q2h (d-4h) Khi h > b thì F’ = Cf’ qb (d-4b) + Cf’ q2h (d-4b) (2.12)

Số hạng thứ nhất ở vế phải của công thức là lực kéo theo trên mái, số hạng thứ

2 là lực trên tường Cf’ = 0,01 đối với bề mặt nhẵn, không có gờ hay sườn ngang với hướng gió; Cf’ = 0,02 với bề mặt có gờ ngang với hướng gió; Cf’ = 0,04 với bề mặt có sườn ngang với hướng gió;

2.2.3.3 Tổ hợp tải trọng:

Mọi tải trọng lên kết cấu được xét riêng lẻ rồi được tổ hợp lại, sao cho đạt được nội lực lớn nhất tại tiết diện khảo sát Mỗi tải trọng phải được nhân với hệ số vượt tải tương ứng f Ví dụ nhà một tầng không cầu trục thì các tổ hợp tải trọng là như sau:

Bảng II.12 - Bảng tổ hợp tải trọng theo BS 6399

- Tĩnh tải D + tải trọng gió W 1,4D + 1,4W (có nhiều trường hợp gió)

- Tĩnh tải D + tải áp đặt I + gió W 1,2D + 1,2I + 1,2W(có nhiều trường hợp gió)

- Tĩnh tải D + gió W (bốc lên) 1,2D + 1,4W (có nhiều trường hợp gió)

2.2.4 Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn châu Âu:

Theo Hội nghị chuyên đề “Hệ thống tiêu chuẩn châu Âu và sự thực hiện” ngày 26-27 tháng 4 năm 2007 (The Seminar – The Eurocode system and implementation –

EN 1990: Eurocode: Basis of Structure Design, EN 1991: Eurocode 1: Action on Structures, 26-28 April 2007, 16 Imvrou Street, 1055 – Nicosia, Cyprus), thì cơ sở thiết kế và tải trọng thiết kế được quy định như sau:

- EN 1990: Cơ sở thiết kế (Basis of Structure Design)

- EN 1991: Tải trọng trên kết cấu đối với nhà và các công trình khác (Eurocode 1: Actions on Structure related to buildings and other structures) Được phân chia thành các thành phần sau:

+ EN 1991-1-1: Các khối lượng riêng, trọng lương bản thân, tải trọng áp đặt (Densities, self-weight and imposed loads)

+ EN 1991-1-2:

+ EN 1991-1-3: Tải trọng tuyết (Snow loads)

+ EN 1991-1-4: Tải trọng gió (Wind loads)

+ EN 1991-1-5: Tác động của nhiệt độ (Thermal actions)

+ EN 1991-1-6: Tác động của quá trình thi công (Actions during execution)

+ EN 1991-1-7: Những tác động ngẫu nhiên (Accidental Actions)

Tải trọng và tác động để thiết kế kết cấu thép theo EN 1993-1-1:2005 (dựa trên

cơ sở của EN 1991)

2.2.4.1 Tải trọng thường xuyên và tải trọng áp đặt:

Nội dung cơ bản của EN 1991-1-1 (April 2002) gồm các phần sau:

Lời nói đầu (Foreword)

Phần 1 Những vấn đề chung (Section 1 General)

Phần 2 Phân loại tác động (Section 2 Classification of actions)

Phần 3 Những tình huống thiết kế (Section 3 Design situations)

Phần 4: Dung trọng kết cấu và vật liệu lưu trữ (Section 4 Densities of construction and stored materials)

Phần 5: Trọng lượng bản thân của các công trình xây dựng (Section 5 weight of construction works)

Self-Phần 6: Tải trọng sử dụng trên công trình (Section 6 Imposed loads on building) Phụ lục A Bảng trọng lượng riêng danh nghĩa của vật liệu kết cấu và dung trọng, góc ma sát trong của vật liệu lưu trữ

Phụ lục B Hàng rào ngăn và tường phòng hộ trong bãi đỗ

Bảng trọng lượng riêng của vật liệu kết cấu và vật liệu lưu trữ được tiêu chuẩn

EN 1991-1-1 giới thiệu tại phụ lục A rất chi tiết từ bảng A.1 đến bảng A.12

Về tải trọng sử dụng (tải trọng áp đặt) được EN 1991-1-1: 2002 chia theo đặc điểm của công năng sử dụng như là:

- Diện tích trong nhà ở riêng, công cộng, thương mại, kinh doanh, nhà hành chính;

- Diện tích làm kho và các hoạt động công nghiệp;

- Diện tích sử dụng giao thông và xe cộ đi lại (ngoại trừ cầu)

- Diện tích làm mái

Trong mỗi loại công năng sử dụng lại được chia thành các loại A, B, C, D Ứng với mỗi loại này có giá trị tải trọng tập trung và phân bố khác nhau Ví dụ diện tích trong các công trình nhà ở, công cộng, thương mại, nhà quản lý điều hành được phân chia theo loại tra trong Bảng II.13 và giá trị tải trọng phân bố, tải trọng tập trung tra theo Bảng II.14

Bảng II.13 – Phân hạng tải trọng sử dụng (trích bảng 6.1 EN 1991-1-1: 2002)

và phòng vệ sinh

C3: Những diện tích không cản trở đi lại

Ví dụ: Những diện tích trong viện bảo tàng, phòng trưng bày v.v Diện tích lối vào trong các công trình công cộng, nhà hành chính, khách sạn, bệnh viện, sân trước của ga tàu hoả

C4: Diện tích có các hoạt động thân thể

Ví dụ: Phòng nhảy, phòng tập thể dục, sân khấu

C5: Diện tích xảy ra các đám đông lớn

Ví dụ: Trong công trình với sự kiện công cộng như phòng hoà nhạc, hội trường thể thao bao gồm: Chỗ đứng, sân thượng và diện tích lối vào sân ga

D Diện tích buôn bán D1: Diện tích trong cửa hàng bán lẻ nói chung

D2: Diện tích trong cửa hàng bách hoá

Bảng II.14 – Tải trọng áp đặt trên sàn, ban công, cầu thang

(trích bảng 6.2 tiêu chuẩn EN 1991-1-1: 2002)

Loại diện tích đặt tải q k [daN/m 2 ] Q k [daN]

Loại A

- Trên sàn

- Trên cầu thang

- Trên ban công

2.2.4.2 Tải trọng gió theo dự thảo tiêu chuẩn prEn 1991-1-4: 2004

Tiêu chuẩn prEn 1991-1-4: 2004 sẽ thay thế tiêu chuẩn ENV 1991-2-4: 1995 về tác động của gió:

Cơ cấu tiêu chuẩn 147 trang, bao gồm những nội dung sau:

- Phần 1: Những vấn đề chung (General)

- Phần 2: Các tình huống thiết kế (Design situations)

- Phần 3: Mô hình hoá tác động của gió (Modelling of wind actions)

- Phần 4: Vận tốc gió và áp lực động (Wind velocity and velocity pressure)

- Phần 5: Tác động của gió (Wind actions)

- Phần 6: Hệ số kết cấu cscd (Structural factor cscd )

- Phần 7: Áp lực và hệ số áp lực (Pressure and force coefficients)

- Phần 8: Những tác động của gió lên cầu (Wind actions on bridges)

- Phụ lục A – Ảnh hưởng của địa hình (terrain effects)

- Phụ lục B – Phương pháp 1 để xác định hệ số kết cấu cscd (Procedure 1 for determining the structural factor cscd)

- Phụ lục C – Phương pháp 2 để xác định hệ số kết cấu cscd (Procedure 2 for determining the structural factor cscd)

- Phụ lục D – Giá trị cscd cho các dạng khác nhau của kết cấu (cscd values for different types of structures )

- Phụ lục E - Loại bỏ xoáy và ổn định khí ngoài đàn hồi (Vortex shedding and aeroelastic instabilities)

- Phụ lục F - Những đặc trưng động của kết cấu (dynamic characteristics of structures)

Vận tốc gió được xác định là giá trị trung bình trong 10 phút, không kể hướng gió, lấy số liệu trong thời gian một năm, độ cao 10 m

2.2.4.3 Hệ số vượt tải và tổ hợp tải trọng

Theo tiêu chuẩn Eurocode3 phân tải trọng tác động F làm hai loại:

-Tải trọng thường xuyên (G) Ví dụ: trọng lượng bản thân kết cấu, tải trọng sử dụng…

-Tải trọng thay đổi theo thời gian (Q) Ví dụ: Tải trọng gió, tải trọng tuyết … -Tải trọng bất thường, ví dụ: Tải trọng động đất, tải trọng do vụ nổ…

Với mỗi loại tải trọng đều có hệ số an toàn tải trọng:

thiết kế thường xuyên thường Ad

GK,i – Giá trị tiêu chuẩn của tải trọng thường xuyên

QK,1 - Giá trị tiêu chuẩn của một loại tải trọng thay đổi

QK,i - Giá trị tiêu chuẩn của các tải trọng thay đổi khác

Ad – Giá trị tính toán của tải trọng bất thường

G,i - Hệ số an toàn của tải trọng thường xuyên GK,i

Q,i - Hệ số an toàn của tải trọng thay đổi QK,i

Trong thiết kế thường lấy G = 1,0  1,35; Q = 1,5

Đối với các công trình nhà cửa, công thức (2.16) có thể biểu diễn đơn giản hơn như sau:

- Khi chỉ quan tâm đến duy nhất một loại tải trọng thay đổi bất lợi:

G i K i Q K i

Đối với các kết cấu nhà, công thức (2.21) có thể biểu diễn đơn giản như sau:

- Khi chỉ quan tâm đến duy nhất một tải trọng thay đổi bất lợi:

k j k j

Hai công thức trên cũng có thể được dùng thay cho công thức (2.20)

2.2.5 Nhận xét chung về tải trọng thiết kế:

a Nhận xét về việc sử dụng tải trọng theo AISC/ASD so với TCVN

Cách xác định tải trọng gió theo ASCE 7-95 (6.2) là vận tốc của cơn gió lấy trung bình trong 3 s ở độ cao 33ft (tương đương 10 m) trên mặt đất, kết hợp với xác xuất hàng năm bằng hoặc không vượt quá 0,02 (tức là 50 năm thì vượt một lần) Đây cũng là tiêu chí mà tất cả việc tính tải trọng gió bắt đầu

Về tiêu chuẩn tải trọng UBC 1997: Chương 16 của bộ UBC (mới nhất năm 1997) gồm 42 trang dành cho các loại tải trọng Cho định nghĩa của hoạt tải là tải trọng đặt lên do việc sử dụng công trình, không gồm tải trọng gió như tiêu chuẩn Việt Nam Hoạt tải sàn luôn gồm tải trọng phân bố và tập trung Ví dụ đối với nhà làm việc, tải phân bố là 50 pounds/foot vuông (nhân với 4,788) = 244 daN/m2; Tải tập trung là 960 daN (lớn hơn so với TCVN) Nhà ở, lớp học là khoảng 200 daN/m2 cũng lớn hơn TCVN Tải trọng gió như nêu ở trên, cách tính khác nhiều so với TCVN ở các hê số khí động, các hệ số địa hình, hệ số độ cao, hệ số tầm quan trọng của công trình, đặc biệt là không có cách tính về động lực Ví dụ đối với kết cấu tháp trụ, chỉ đơn giản dùng hệ số khí động lớn hơn tới 3-4 lần so với kết cấu khác Tiêu chuẩn tải trọng UBC tương thích với cách tính toán kết cấu theo các tiêu chuẩn Mỹ khác như của AISC, ACI Không được tính toán theo các tiêu chuẩn kết cấu của Mỹ mà lại dùng tiêu chuẩn của Việt Nam hoặc nước khác để xác định tải trọng

Sau đó các tiêu chuẩn UBC, BOCA, SSBC tiến triển thành IBC (international buildings code) Hiện nay IBC có các tiêu chuẩn phiên bản UBC 1994, UBC 1997, IBC 2000, IBC 2003 Tuy nhiên UBC, IBC, AISC và ACI lấy tiêu chuẩn ASCE 7 làm tài liệu tham khảo cơ bản Một số phiên bản như ASCE 7-93; ASCE 7-95; ASCE 7-98; ASCE 7-02, phiên bản mới nhất là ASCE 7-05

b.Nhận xét về BS 5950 so với TCVN:

Cả hai tiêu chuẩn đều có các hệ số an toàn về tải trọng, vật liệu tuy nhiên hệ số

an toàn theo tiêu chuẩn BS 5950 lớn hơn tiêu chuẩn TCVN

BS có một bộ tiêu chuẩn tải trọng là BS 6399 gồm ba phần: Phần 1 và phần 2 cho tĩnh tải, hoạt tải và tải trên mái, phần 3 cho tải trọng gió (ấn bản mới nhất của phần

3 ở năm 1997 Do vậy mà BS 5950: Part 1:1990 ấn bản 1992 chỉ quy định áp dụng phần 1 và phần 2 của BS 6399, còn tải trọng gió vẫn theo tiêu chuẩn cũ là CP3 chương

V phần 2 (ấn bản 1993)

Giữa CP3 và BS 6399 phần 3 có sự khác nhau rất cơ bản: CP3 dùng tốc độ gió trung bình trong 3s, với chu kỳ 50 năm còn BS 6399 thì dùng tốc độ gió trung bình trong một giờ với chu kỳ 50 năm Do đó mà tốc độ gió V m/s dùng để tính toán áp lực

là khác xa nhau trong 2 tiêu chuẩn CP3 gần với TCVN 2737:1995 vì tốc độ gió cũng

là trung bình trong 3 giây, nhưng khác là chu kỳ gió của Việt Nam là 20 năm Như vậy

có thể nói độ an toàn khi tính theo CP3 là cao hơn khi tính theo TCVN

Áp lực động gió vận tốc V gây ra được tính bằng công thức q = 0,613 V2 (đơn

vị SI) chung cho cả hai tiêu chuẩn CP3 và TCVN Ngoài sự khác biệt không lớn về độ cao, hệ số che khuất và địa hình, giữa hai tiêu chuẩn có sự khác nhau cơ bản về hệ số khí động (hay hệ số áp lực) Hệ số khí động của TCVN được xác định do kết quả đo

áp lực trên mô hình trong ống khí động nên áp dụng được cho những vật thể có hình khối giống mô hình: Nhà đóng kín, công trình nói chung Hệ số của CP3 cũng như của tiêu chuẩn Tiêu chuẩn nhiều nước được cho đối với ngôi nhà thực nghĩa là có xét sự

mở cửa trên các bức tường, xét cả sự lọt gió qua khe cửa ngay khi cửa đóng kín, như vây luôn có áp lực bên trong nhà Hệ số áp lực tính toán là tổng hệ số áp lực ngoài và trong Do không thể biết được tình hình lọt gió vào trong nhà là bao nhiêu nên CP3 sử dụng hai giá trị áp đặt của hệ số áp lực trong (+0,2 đối với nhà kín và -0,3 đối với nhà hở), và chọn trường hợp bất lợi nhất Như vậy, cách tính tải trọng gió theo CP3 là đầy

đủ hơn so với cách tính theo TCVN Ngoài ra, CP3 còn quy định tính toán lực ma sát kéo theo để xét ảnh hưởng của gió đối với các bộ phận không nhẵn của nhà

Về xác định tĩnh tải và hoạt tải theo BS thì không khác mấy so với tiêu chuẩn Việt Nam tương ứng, riêng tải trọng gió thì cách tính khác hẳn

Theo tiêu chuẩn Việt Nam, tổ hợp tải trọng gồm có hai loại tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt Nhưng theo BS thì không có tổ hợp đặc biệt Hệ số tổ hợp tải trọng, như trình bày ở trên, theo BS được ghép chung vào hệ số vượt tải, còn theo TCVN thì tách riêng Ví dụ với tổ hợp gồm tĩnh tải D, hoạt tải L, gió W thì hệ số vượt tải chung chỉ còn 1,2 thay cho 1,4 của D, W và là 1,6 của L khi tác dụng riêng rẽ, tức là tính theo BS thì giảm 16%  33% Trong khi đó hệ số tổ hợp của TCVN cho trường hợp này chỉ là 0,9 tức là giảm 11% Kết quả là tính toán công trình dựa theo tải trọng của TCVN thường cho nội lực lớn hơn tính theo BS Kết hợp với nhận xét về vật liệu khi tính toán theo hai tiêu chuẩn, ta thấy khó có thể nói là tính toán theo tiêu chuẩn nào thì tiết kiệm vật liệu hơn, mà tuỳ theo từng trường hợp cụ thể

c Nhận xét về Eurocode 3 so với TCVN:

Khi tính toán tải trọng, cả hai tiêu chuẩn (TCXDVN 338:2005 và Eurocode 3) đều quy định có hệ số vượt tải Tuy nhiên hệ số vượt tải của Eurocode 3 lớn hơn của TCXDVN 338:2005 Cả hai tiêu chuẩn đều quy định đưa tải trọng vào tính toán cần nhân với hệ số tổ hợp, các hệ số tổ hợp theo hai tiêu chuẩn là khác nhau Khi tính toán