quan niệm, phương pháp xác định tải trọng, sử dụng vật liệu, đến phương pháp tính toán cấu kiện chịu nén của hai nhóm tiêu chuẩn kết cấu cán nóng với kết cấu thép thành mỏng

Trong phạm vi đề tài này, nhằm phân tích về : quan niệm, phươngpháp xác định tải trọng, sử dụng vật liệu, đến phương pháp tính toán cấu kiện chịu nén của hai nhóm tiêu chuẩn: kết cấu cán

Lời cảm ơn

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Xây dựng và Khoa sau đại học Hà Nội đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong qóa trình thực hiện Luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS NGUYễN QUANG VIÊN đã tận tình hướng dẫn,

Bộ môn thép – gỗ trường §HXD, Khoa Doanh Trại - Học Viện Hậu Cần đã trực tiếp giúp đỡ, hỗ trợ để tôi có thể thực hiện Luận văn một cách tốt nhất

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những người bạn và đồng nghiệp đã đồng hành, chia sẻ và trao đổi những vướng mắc giúp tôi hoàn thành Luận văn này

Với khả năng và thời gian nghiên cứu có hạn, nội dung của Luận văn chắc không tránhkhỏi có những thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy giáo và các đồng nghiệp./

Hà Nội, ngày 1/6/2008

Học viên: Chu Thị Hải Ninh

Chương mở đầu

A Đặt vấn đề:

(1) Những năm gần đây ,víi sự phát triỈn nhanh chóng của nền kinh tế đất nước tatheo đường lèi đổi míi, hàng nghìn công trình công nghiÖp, dân dụng đã được xâydựng, mà phần lớn được làm bằng thép Các công trình thép được thiỊt kế theo tiêuchuẩn của nhiÒu nước : ViÖt Nam, Hoa Kỳ, Anh, Châu Âu,….víi sự cho phép của nhànước ta

Các qui phạm thiỊt kế của Hoa Kỳ, Anh, Châu Âu rất hay được áp dụng (ví dụ víicác công trình có nguồn vốn từ ODA, các nguồn vốn khác từ nước ngoài đầu tư vàoViÖt Nam…) nhưng còn xa lạ víi đa số kĩ sư ViÖt Nam Bên cạnh đó, khi gia nhậpWTO, ViÖt Nam phải dỡ bỏ các rào cản gồm rào cản thuế quan, rào cản kỹ thuật (tiêuchuẩn kỹ thuật), rào cản về thể chế kinh doanh.Thông điÖp mà WTO gôi đến tất cả cácnước thành viªn là “Thương mại toàn cầu cần tíi những tiêu chuẩn toàn cầu”.Vì thỊ đặt

ra một yêu cầu cho ngành Xây dựng nói riªng của ViÖt Nam là phải xây dựng lại một

hệ thống tiêu chuẩn xây dựng mang tính đồng bộ, hiÔn đại, hài hoà và tiÔm cận víitiêu chuẩn quốc tế, tạo điÒu kiÔn cho qóa trình hội nhập của ngành

Từ những năm 2001-2003, díi sự chỉ đạo trực tiÕp của lãnh đạo Bộ Xây Dựng,trên cơ sở kết qña đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước “nghiªn cứu xây dựng đồng

bộ hệ thống tiêu chuẩn xây dựng ViÖt Nam đến năm 2010 theo hướng đổi míi, hộinhập”, Bộ Xây Dựng đã hình thành định hướng cho hệ thống Quy chuẩn và Tiêuchuẩn xây dựng ViÖt Nam

Tháng 6/2005: TCXDVN 338-2005, Kết cấu thép –Tiêu chuẩn thiỊt kế, do Bộ XâyDựng ban hành đã ra đời Cơ sở của nó dựa theo tiêu chuẩn của Nga, Eurocode3,Trung Quốc… đã chính thức được sử dụng trong lĩnh vực thiỊt kế kết cấu thép

Từ những yếu tố nói trên cho thấy viÖc nghiªn cứu để có thể áp dụng các tiêuchuẩn thiỊt kế kết cÂu thép của nước ngoài, đặc biÖt là các tiêu chuẩn như Quy phạmHoa Kì, tiêu chuẩn Anh, tiêu chuẩn Châu Âu, là cần thiỊt đặc biÖt cho các kỹ sư ViÖt

Nam khi làm viÖc víi những công trình sư dụng tiêu chuẩn nước ngoài

(2) Thông thường khi nói đến thiỊt kế kết cÂu thép chóng ta chỉ nói đến thiỊt kế kếtcÂu cán nóng mà quên đi rằng bên cạnh nó còn sự có mặt của kết cÂu thép thànhmáng (TM), loại kết cấu bắt đầu được áp dụng nhiÒu ở nước ta Từ những sản phẩm

và cÂu kiÔn thông dụng như tÂm mái, tÂm tường, xà gồ, dầm sàn, đến nay có nhiÒudạng kết cấu hoàn chỉnh như khung nhà (một tầng, nhiÒu tầng), hệ thống mái,…Nước

ta đã có nhiÒu xưởng cán nguội làm ra sản phẩm và đang xây dựng một số nhà máysản xuất cuộn thép tÂm máng là nguyên liƯu cho thép TM

Tuy nhiªn viÖc tính toán thiỊt kế loại kết cấu này còn xa lạ đối víi phần lớn kĩ sư ViÖtNam NhiÒu người vẫn sử dụng Quy phạm thiỊt kế kết cÂu cán nóng, để tính toán kếtcÂu thành máng, là viÖc bất cập

HiÔn nay, để thiỊt kế kết cấu TM ta đang áp dụng Quy phạm của khá nhiÒu nước: Mĩ,Anh, châu Âu, úc,…Mĩ có bộ Quy phạm đồ sộ hoàn chỉnh nhất, nhưng Quy phạm Mĩrất hay thay đổi: ấn bản năm 1986 7 đang được quen dùng thì có phiªn bản 1996 2thay thế; míi vào ViÖt Nam chưa kịp làm quen đã lại bị thay thế bằng bản míi 2001.Ngoài ra Quy phạm Mĩ sử dụng đơn vị pound, inch rất khó quen víi người đang dùng

hệ đơn vị SI Quy phạm Anh có bản BS 5950 Phần 5 10 cũng được sử dụng từ lâu,nhưng theo chương trình hòa nhập của các nước Châu Âu, các tiêu chuẩn BS về kết

cấu sẽ được thay bằng Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode HiÔn tại Eurocode về kết cÂu

TM chưa có Quy phạm úc AS/NZS 4600:1996 1 là Quy phạm hiÔn hành của úc vàNew Zealand, được xây dựng dựa vào Quy phạm AISI 1996 và nhiÒu nghiªn cứu củacác nhà khoa học úc Thực tế hiện nay, phần lớn các kết cấu TM đã và đang xây dựng

ở nước ta là sản phẩm của các công ty úc hoặc liên doanh nh Bluescope Lysaght,…vàđều sử dụng Quy phạm AS/NZS 4600:1996 Do đó trong phạm vi luận văn này, khi đềcập đến kết cấu thép TM ta chọn Quy phạm AS/NZS 4600:1996 làm cơ sở so sánh vớinhóm kết cấu thép cán nóng

(3) Để hoàn thành nhiệm vụ đặt ra từ những thực tế trên, ngành xây dựng cần đầu tưthích đáng để thu nhập tài liệu (tiêu chuẩn và các tài liệu có liên quan), huy động tối đalực lượng khoa học và chuyên gia (ngành vật liệu, kết cấu và nền móng công trình, địa

kỹ thuật, thi công xây lắp, quản lý chất lượng …) Đồng thời cần có sự hợp tác quốc tếnhằm tìm nguồn tài trợ cho chuyển dịch các tiêu chuẩn Eurocodes; tiếp tục hợp tác tíchcực với các cơ sở nghiên cứu của Anh, úc và các nước Châu Âu nhằm tham vấn, traođổi chuyên môn, giải mã các vấn đề thuộc nội dung của các tiêu chuẩn, học hỏi kinhnghiệm thiết lập Phụ lục Quốc gia

B Mục tiêu và nội dung của đề tài:

Xuất phát từ thực tế sử dụng các tiêu chuẩn Xây dựng của nước ngoài trong lĩnhvực thiết kế thép của các kĩ sư Việt Nam hiện nay đang gặp nhiều khó khăn, do chưahiểu thật đầy đủ về các tiêu chuẩn nước ngoài đó giống và khác với tiêu chuẩn trongnước như thế nào Trong phạm vi đề tài này, nhằm phân tích về : quan niệm, phươngpháp xác định tải trọng, sử dụng vật liệu, đến phương pháp tính toán cấu kiện chịu nén

của hai nhóm tiêu chuẩn: kết cấu cán nóng với kết cấu thép thành máng.

Trong nhóm Quy phạm dành cho kết cấu cán nóng sẽ sử dụng các Quy phạm, tiêu

chuẩn sau: TCXDVN 338:2005, Quy phạm Hoa Kỳ AISC/ASD, BS5950:Part 1:2000

và EN 1993-1-1:2005 (tuy nhiên chỉ TCXDVN 338:2005 là xét đầy đủ về quan niệm,

phương pháp xác định tải trọng, sử dụng vật liệu, đến phương pháp tính toán cấu kiện

chịu nén, còn Quy phạm Hoa Kỳ AISC/ASD, BS5950:Part 1:2000 và EN

1993-1-1:2005 sẽ chỉ dừng lại ở quan niệm, phương pháp xác định tải trọng, sử dụng vật

liệu).

Nhóm Quy phạm dành cho kết cấu thép thành máng (TM) sẽ chỉ sử dụng Quyphạm úc AS/NZS 4600:1996

Luận văn ứng dụng vào ví dụ tính toán cụ thể với cấu kiện chịu nén; để từ đó rót

ra những nhận xét và kiến nghị phù hợp trong việc áp dụng một số tiêu chuẩn nướcngoài vào điều kiện Việt Nam

Luận văn bao gồm những nội dung sau: Chương mở đầu; Chương I-Cơ sở thiết kế kết

cấu thép; Chương II-Cấu kiện chịu nén; Chương III-Một số ví dụ tính toán; Chương IV-Hợp lý hóa tiết diện thép thành máng chịu nén; Chương V-Nhận xét và kết luận.

C Giới thiệu tổng quan về một số tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép.

1 Giới thiệu chung về tiêu chuẩn Việt Nam

Bộ Xây Dựng Việt Nam đã có quyết định số 17/2005/Q§-BXD về việc ban hànhTCXDVN338:2005 “Kết cấu thép-Tiêu chuẩn thiết kế” ngày 31/5/2005 Tiêu chuẩnnày thay thế tiêu chuẩn TCVN5575:1991 dùng để thiết kế kết cấu thép của công trìnhxây dựng dân dụng và công nghiệp.Tiêu chuẩn này không dùng để thiết kế các côngtrình giao thông, thủy lợi như các loại cầu, công trình trên đường, cửa van, đườngống,v.v…

Về bản chất TCXDVN338:2005 không khác nhiều so với TCVN5575:1991, chỉ khác

về thuật ngữ ; có bổ sung thêm một số loại thép đang sử dụng trong xây dựng tại ViệtNam như thép của Mü, Anh, úc, Nhật Bản, Trung Quốc; quy định chi tiết hơn về giớihạn chuyển vị

Nội dung TCXDVN338:2005 “Kết cấu thép-Tiêu chuẩn thiết kế” 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 và liên kết; Phần 5- Tính toán các cÊu kiện; Phần 6- Tính toán liên kết; Phần 7- Tính toán kết cấu thép theo độ bền mái; Phần 8- Các yêu cầu kỹ thuật và 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.

2 Giới thiệu chung về Quy phạm Hoa Kỳ AISC/ASD

Phương pháp thiết kế kết cấu thép theo ứng suất cho phép của Quy định kĩ thuật

AISC/ASD Tên đầy đủ là Quy định kĩ thuật để thiết kế nhà thép theo phương pháp

ứng suất cho phép và phương pháp thiết kế dẻo (The Specifications for Structural Steel

Buildings-Allowable Stress Design and Plastic Design) (gọi ngắn gọn là Quy phạmAISC) Quy phạm này do Viện kết cấu thép Hoa Kì (American Institute of SteelConstruction, viết tắt là AISC) biên soạn và suất bản năm 1989 để sử dụng trong thiết

kế nhà khung thép Từ 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 2 phương pháp này hiện nay được sử dụng nh nhau, tùy theo sự lựa chọn của ngườithiết kế Quy phạm này không có tính chất pháp lÝ bắt buộc mà chỉ mang tính chấtthông tin giúp cho người kĩ sư trong công việc của mình Người sử dụng chịu hoàntoàn trách nhiệm về độ an toàn của công trình

Quy phạm AISC/ASD áp dụng phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép (cũng còngọi là thiết kế theo ứng suất làm việc) Cơ sở của phương pháp này là nh sau : mọi cấukiện, mối liên kết và các liên kết phải được chọn kích thước sao cho ứng suất gây bởitải trọng làm việc không vượt qóa ứng suất đã qui định trước (ứng suất cho phép) ứngsuất cho phép không có giá trị nhất định mà thay đổi tùy theo trạng thái làm việc.ứngsuất cho phép khi chịu kéo là Ft = 0,6Fy ; ứng suất cho phép khi uốn là Fb = (0,6-0,67)Fy , tùy theo loại cấu kiện là đặc chắc hay không đặc chắc ứng suất cho phép khinén bằng Fy nhân với hệ số uốn dọc tùy thuộc độ mảnh của cấu kiện Vấn đề phức tạpnhất trong tính toán kết cấu thép là xác định đúng ứng suất cho phép Sau khi xác địnhđược ứng suất cho phép thì chỉ so sánh nó với ứng suất làm việc tính bằng các côngthức thông thường của SBVL Trong các công thức tính toán, các nội lực gây ra bởi tảitrọng theo tiêu chuẩn, không có hệ số vượt tải Điểm khác của Quy định AISC so vớitiêu chuẩn thiết kế của 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 dụnghết khả năng ứng suất cho phép của vật liệu Tiết diện không đặc chắc thì phải giảmứng suất cho phép đi, tiết diện mảnh thì còn phải giảm ứng suất cho phép nữa Quyđịnh AISC chấp nhận việc cong vênh cục bộ của tiết diện, tức là cho phép một số bộphận của tiết diện không làm việc, bù lại sẽ giảm ứng suất cho phép đi để giữ nguyên

độ an toàn Do đó có nhiều quy định cÂu tạo về độ mảnh của bông dầm, cánh dầm,bông cột, cánh cột khác xa nhiều so với Tiêu chuẩn của ta Những quy định nh vậy rất

có lợi cho việc giảm trọng lượng thép khi thiết kế Trong từng lĩnh vực riêng, có cácQui phạm tiêu chuẩn chuyên ngành Về kết cấu thép, có các quy phạm thông dụngđược chấp nhận rộng rãi như sau : Về kết cấu hàn có Quy phạm hàn (1996) của AWSAmerican 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 tạohình nguội, có sách chỉ dẫn (1989) của AISI American Iron and Steel

3 Giới thiệu chung về tiêu chuẩn BS 5950

Tiêu chuẩn BS 5950 là một bộ tiêu chuẩn lớn, mang tên: “Kết cấu thép sử dụng chonhà” (Structural use of steel work in building) thực tế gồm các Quy phạm về thiết kế,chế tạo, dựng lắp, phòng cháy cho các loại kết cấu thép được biên soạn bởi Ban kĩthuật thuộc Ban tiêu chuẩn xây dựng công trình và nhà ( gồm các thành viên Hiệp hộikết 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, Học viện Hàn,

…) và được ban hành bởi Viện tiêu chuẩn Anh (British Standard Institute) BSI Đó là

bộ tiêu chuẩn mang tính quốc gia, là duy nhất ở nước Anh Anh là nước đi sớm nhất vềviệc dùng phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn Tiêu chuẩn BS 5950 sử dụngphương pháp này, và được cải biên thay thế theo các năm Bản BS có các phiên bảnnăm 1985, 1990, 2000 Phiên bản năm 2000 là bản tiêu chuẩn có cơ sở lý luận vữngchắc, được hỗ trợ bởi nhiều bảng tính sẵn và tài liệu hướng dẫn kèm theo, là cơ sởchính để các nước châu Âu biên soạn ra tiêu chuẩn Eurocode về kết cấu thép Trên thếgiới, tiêu chuẩn BS 5950 được biết và được chấp nhận sử dụng phổ biến nhất, đặc biệttrong khối các nước Châu Âu và Châu ¸, có các nước như Singapore, Thái Lan,Malaysia, Trung Quốc, …Tiêu chuẩn BS được viết rất cô đọng, có nhiều vấn đề phứctạp không có trong tiêu chuẩn, quy phạm quen dùng ở nước ta Có thể nói, nếu chỉ dựavào toàn văn của cuốn BS thì khó mà tính toán thiết kế được Tiêu chuẩn BS5950:2000 gồm 9 phần được xuất bản riêng rẽ:

Phần 1 Quy phạm thiết kỊ kết cấu đơn giản và liên tục: tiết diện cán nóng

Phần 2 Quy định kĩ thuật đối víi vật liệu, chế tạo và dựng lắp: tiết diện cán nóng

Phần 3 Thiết kế kết cấu hỗn hợp.

Chương 3.1 Quy phạm thiết kế dầm hỗn hợp đơn giản và liên tục.

Chương 3.2 Quy phạm thiết kế cột và khung hỗn hợp.

Phần 4 Quy phạm thiết kế sàn với bản lát thép tạo hình

Phần 5 Quy phạm thiết kế tiết diện tạo hình nguội.

Phần 6 Quy phạm thiết kế tÂm lợp, tÂm sàn và tÂm tường loại nhẹ.

Phần 7 Quy định kĩ thuật đối với vật liệu và chế tạo: tiết diện tạo hình nguội

Phần 8 Quy phạm thiết kế chống cháy.

Phần 9 Quy phạm thiết kế vỏ bọc chịu lực.

Mục đích của BS là xác định các tiêu chí chung cho việc thiết kế kết cấu thép củanhà và các công trình liên quan; chỉ dẫn cho người thiết kế các phương pháp thực hiệncác tiêu chí này KÝ hiệu đầy đủ là BS 5950 – 1:2000 gồm 7 chương: Chương 1: Đạicương; Chương 2: Thiết kế theo trạng thái giới hạn; Chương 3: Các tính chất của vậtliệu và đặc trưng tiết diện; Chương 4: Thiết kế các cấu kiện; Chương 5: Kết cấu liêntục; Chương 6: Liên kết; Chương 7:Thử nghiệm bằng gia tải.

4 Giới thiệu chung về tiêu chuẩn Châu Âu.

Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocodes là một bộ tiêu chuẩn về kết cấu công trình (StructuralEurocodes) do Tiểu ban kĩ thuật CEN/TC250 soạn thảo và được Uỷ ban châu Âu vềtiêu chuẩn hóa (ComitÐ EuropÐen de Normalisation – CEN) ban hành để áp dụngchung cho các nước thuộc Liên minh châu Âu (EU) Từ năm 1975, Uỷ ban cộng đồngchâu Âu (The European Community) đã quyết định một chương trình hành động tronglĩnh vực xây dựng, trong đó đối tượng của chương trình là loại trừ những rào cản kĩthuật trong thương mại và tiến tới hài hòa các quy định kĩ thô©t Trong khuôn khổ củachương trình, một loạt các quy tắc kĩ thuật hài hòa trong thiết kế xây dựng đã đượchình thành để thay thế cho các quy tắc trong tiêu chuẩn quốc gia các nước thành viên.Năm 1988 trong khuôn khổ của văn bản định hướng của Ban Tiêu chuẩn hoá Châu Âu,trong văn bản DI 89/106 ngày 01/12/1988 đưa ra ý tưởng phải xây dựng hệ tiêu chuẩnxây dựng dùng chung cho Châu Âu Tiêu chuẩn Châu Âu được mang tênEUROCODES Đây là tiêu chuẩn mà các nước Châu Âu muốn thống nhất về quanniệm, về định hình kích thước kết cÂu nhà cửa và công trình xây dựng liên quan đếnvật 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 thịtrường xây dựng ở châu lục này Vào năm 1990 Hội đồng Châu Âu giao cho Ban Tiêuchuẩn hoá Châu Âu (CEN) soạn thảo EUROCODES và ban hành thành quy phạm.Ban thư ký soạn thảo có trụ sở tại Anh quốc và có 9 tiểu ban soạn thảo chi tiết Toàn

bộ EUROCODES được chia thành nhiều phần, tiến hành trên 57 lĩnh vực Năm 1993Ban Tiêu chuẩn hoá Châu Âu đã tuyển chọn xong các lĩnh vực chủ yếu Năm 1994thành lập các Ban xây dựng hồ sơ thuộc các quốc gia (DAN) để tiến hành dịch nhữngtài liệu theo ngôn ngữ của các nước thành viên Thời kỳ đầu, Ban Tiêu chuẩn hoá Châu

Âu thỏa 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 Nhữngtiêu chuẩn này có giá trị (về lý thuyết) trong 3 năm (và thường được kéo dài thêm mộtthời hạn 2 năm nữa) Thời hạn này tạo cơ hội cho Tiêu chuẩn Châu Âu xâm nhập trongcác dự án xây dựng Trong thời kỳ áp dụng tiêu chuẩn Châu Âu này các tiêu chuẩnriêng của quốc gia thành viên vẫn có giá trị sử dụng Hết thời kì sơ bộ thì mọi tiêuchuẩn riêng biệt của quốc gia thành viên nào trái với các điều khoản củaEUROCODES sẽ không được tuân thủ trong các nước thành viên của cộng đồng Châu

Âu Hệ thống tiêu chuẩn Châu Âu về kết cấu công trình xây dựng hiện nay bao gồmcác tiêu chuẩn chính và các tiêu chuẩn khác tham chiếu trong 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 các kết cấu xây dựng; Eurocode 7: Thiết kế địa kĩ 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 chiathành một số phần, trong đó phần chung nói về các quy định chung, các phần riêng nói

về các chuyên đề cụ thể với tổng cộng 58 phần trong các 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, tạo điều kiện cho người sử dụng có thể tiếp cận theo nhiều phươngpháp khác nhau; (3) Phụ lục quốc gia bao gồm các thông số theo yêu cầu của tiêuchuẩn 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 c«nh trình

Tiêu chuẩn EN 1991 (Tác động lên kết cấu) bao gồm EN 1991-1-1 (Tải trọng bảnthân, hoạt tải); EN 1991-1-2 (Tác động lên kết cấu tiếp xúc với lửa); EN 1991-1-3 (Tảitrọng tuyến); EN 1991-1-4 (Tải trọng gió); EN 1991-1-5 (Tác động của nhiệt); EN1991-1-6 (Tác động trong qóa trình thi công); EN 1991-1-7 (Tác động do va đập vànổ); EN 1991-2 (Tải trọng lưu thông trên cầu); EN 1991-3 (Tác động của cầu trục vàmáy móc) và EN 1991-4 (Tác động lên sil« và bồn bÓ)

Tiêu chuẩn EN 1993 (Thiết kế kết cấu thép) bao gồm: EN 1993-1-1 (Nguyên tắcchung); 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 tÂm); 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 tÂmchịu tải trọng ngang); EN 1993-1-8 (Thiết kế mối nối); EN 1993-1-9 (Độ bền mái củakết 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 sungcho thép cường độ cao); EN 1993-2 (Cầu thép); EN 1993-3 (Tháp, trụ, ống khói); EN1993-4 (Sil«,bể chứa và đường ống); EN 1993-5 (Cọc và ván cừ); EN 1993-6 (Kết cấu

đỡ cầu trục)

Theo lộ trình đã được quyết định, đến năm 2010 toàn bộ các nước trong Liên minhChâu 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 tiêuchuẩn 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 hệthống tiêu chuẩn Eurocodes Đó là các nước Anh, Aã, Ba Lan, Bỉ, Bồ Đào Nha, CộngHòa Séc, Đan Mạch, Đức, Estonia, Litva, Luxembua, Na Uy, Malta, Hà Lan, Hungary,

Hy Lạp, Italia, Pháp, Phần Lan, SÝp, Slovakia, Tây Ban Nha, Thụy Điển, Thụy Sü.Qóa trình chuyển dịch và áp dụng ở các nước được thống nhất vào năm 2010 Tuynhiên cho đến nay chưa có nước nào hoàn thành chuyển dịch toàn bộ hÔ thống tiêuchuẩn Eurocode, thậm chí cả Anh và Pháp Tại Anh Quốc, theo “chiến lược quốc gia

áp dụng Eurocodes” của Văn phòng Phó Thủ tướng Anh, việc nghiên cứu các Phụ lụcquốc gia và chuẩn bị cho việc áp dụng tiêu chuẩn Eurocodes cũng phải mất hơn 15năm với kinh phí ước tính lên tới hơn 10 triệu bảng Anh (khoảng 300 tư Đồng ViệtNam) Nhiều nước khác trên thế giới cũng đặc 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 Caribee,…Tháng 11/2006, tại Singapore đãdiễn ra Hội nghị Quốc tế vÌ việc áp dụng Eurocodes ở Singapore, trong đó đã thảo luận

về Eurocode 7 (Thiết kế địa kĩ thuật) Khi áp dụng hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes,ngoài nội dung của tiêu chuẩn đã được thống nhất, phần Phụ lục Quốc gia (NationAnnex) kèm theo tiêu chuẩn có vai trò hết sức quan trọng đối với mỗi nước Trong phụlục này, các thông số tính toán và thiết kế phải được nghiên cứu và lựa chọn phù hợpvới điều kiện tự nhiên, vật liệu và trình độ công nghệ của mỗi nước Do đó, đây khôngđơn thuần chỉ là việc dịch thuật mà còn là nhiệm vụ nghiên cứu hết sức phức tạp, khốilượng công việc rất lớn, đòi hỏi sự đầu tư trí tuệ và nguồn lực để hoàn thành các côngviệc nghiên cứu, chuyển dịch, phổ biến và áp dụng Ngoài những tiêu chuẩn chủ yếu

về kết cấu xây dựng , có hơn 100 tiêu chuẩn Châu Âu khác về vật liệu, thí nghiệm, thicông, quản lÝ chất lượng cũng được tham chiếu trong các tiêu chuẩn Eurocodes ởnước ta theo kế hoạch, một số tiêu chuẩn Eurocodes của Châu Âu đã và đang được BộXây Dùng cho nghiên cứu để chuyển dịch thành tiêu chuẩn Việt Nam; nghiên cứu vàđưa ra các thông số để thành lập các Phụ lục Quốc gia, trong đó có việc soát xét lại cácTCVN hoặc TCXDVN đã ban hành (một số tiêu chuẩn Việt Nam đã được chuyển dịch

từ tiêu chuẩn ISO, tương thích với các tiêu chuẩn được trích dẫn trong Eurocodes)

5 Giới thiệu chung về các Quy phạm thiết kế kết cấu thép thành máng (TM) :

Văn bản kĩ thuật qui định cách thiết kế kết cấu thành máng được thiết lập ở nhiềunước, mang tên khác nhau nh Standard – Tiêu chuẩn (Anh, úc), Specifications – Quyđịnh kĩ thuật (Mĩ), Code – Quy phạm (châu Âu, Trung Quốc)

5.1.Mĩ:

Mĩ là nước đầu tiên trên thế giới có Tiêu chuẩn quy phạm năm 1946 mang tên

“Specifications for the design of cold formed steel structural member – Quy định kĩthuật về thiết kế cấu kiện thép thành máng tạo hình nguội” của Viện Sắt Thép Hoa Kì(AISI), sử dụng phương pháp ứng suất cho phép Từ đó đến nay, liên tục được soát xétchỉnh sửa, đã tái bản lần lượt năm 1956, 1960, 1962, 1968, 1980, 1986, đều vẫn dùngphương pháp ứng suất cho phép ấn bản 1996 đã có thêm phương pháp hệ số tải trọng

và hệ số cường độ dùng song song bên cạnh phương pháp cũ Bản mới nhất là năm

2001, mang tên rộng hơn không còn là AISI mà là Bắc Mĩ 2001 Việc thay đổi liên tụcQuy phạm của Mĩ chứng tỏ luôn có những nghiên cứu mới để bổ sung, cập nhật đồngthời cũng cho thấy là còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết ổn định, chưa có kết luậndứt khoát

5.2 Anh và Châu Âu:

Bộ Tiêu chuẩn về kết cấu thép của Anh mang tên BS 5900 “Structural use ofSteelwork in Building – Kết cấu thép trong nhà” có phần 5 năm 1991 mang tên “Code

of practice for the design of cold formed sections – Quy phạm thiết kế thanh tạo hìnhnguội” là quy phạm hiện hành ở Anh, sử dụng phương pháp tr¹g thái tới hạn Theochương trình chung của các nước châu Âu, trong thời gian tới, tiêu chuẩn BS về kếtcấu sẽ hòa nhập với Quy phạm châu Âu Eurocode Trong bộ Quy phạm châu Âu vềkết cấu thép EN 1993 (thường gọi là Eurocode 3), có chương 1-3 là thiết kế cấu kiệnthành máng mang tên “EN 1993-1-3 Design of Steel Structurals : Cold-formed thingauge members and sheeting – Thiết kế kết cấu thép: cấu kiện và tÂm thành máng tạohình nguội”, hiện vẫn chưa đưa vào sử dụng

5.3 Trung Quốc:

Quy phạm mới nhất của Trung Quốc mang tên “GB 50018-2002 Quy phạm kĩ thuật đểthiết kế kết cấu thép thành máng tạo hình nguội” ban hành năm 2002 thay thế cho Quyphạm cũ năm 1987 Quy phạm này phản ánh các nghiên cứu độc đáo của Trung Quốc,không phụ thuộc vào bất cứ quy phạm của nước ngoài nào.

5.4 úc:

Quy phạm hiện hành của úc là AS/NZS 4600:1996 “Cold-formed steel structures – Kếtcấu thép tạo hình nguội” là Quy phạm chung của hai nước úc và New Zealand, thaythế cho Quy phạm cũ AS 1538 – 1988 Quy phạm này kế thừa các nghiên cứu của Quyphạm cũ, đồng thời dựa nhiều vào Quy phạm Mĩ AISI 1996 Ngoài ra có nhiều nghiêncứu của các nhà khoa học úc được đưa vào khiến cho Quy phạm này tỏ ra đầy đủ hơnAISI 1996

Chương i- cơ sở thiết kế kết cấu thép1.1.Các nguyên tắc thiết kế chung

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

(1) Tiêu chuẩn này sử dụng phương pháp tính toán kết cấu thép theo trạng thái giới hạn Kết cấu được thiết kế sao cho không vượt qóa trạng thái giới hạn của nó.

(2) Trạng thái giới hạn là trạng thái mà khi vượt quá thì kết cấu không còn thỏa

mãn các yêu cầu sử dụng hoặc khi dựng lắp được đề ra đối với nó khi thiết kế Cáctrạng thái giới hạn gồm:

-Các trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực là các trạng thái mà kết cấu không còn

đủ khả năng chịu lực, sẽ bị phá hoại, sụp đổ hoặc hư háng làm nguy hại đến sự an toàncủa con người, của công trình Đó là các trường hợp: kết cấu không đủ độ bền (pháhoại bền), hoặc kết cấu bị mất ổn định, hoặc kết cấu bị phá hoại giòn, hoặc vật liệu kếtcấu bị chảy

-Các trạng thái giới hạn về sử dụng là các trạng thái mà kết cÂu không còn sử dụng

bình thường được nữa do bị biến dạng qóa lớn hoặc do hư hỏng cục bộ Các trạng tháigiới hạn này gồm: trạng thái giới hạn giới hạn về độ vâng và biến dạng làm ảnh hưởngđến việc sử dụng bình thường của thiết bị máy móc, của con người hoặc làm hỏng sựhoàn thiện của kết cấu, do đó hạn chế việc sử dụng công trình; sự rung động qóa mức;

sự han gỉ qóa mức

(3) Khi tính toán kết cÂu theo trạng thái giới hạn phải dùng các hệ số độ tin cậy

sau:

-Hệ số độ tin cậy về cường độ M (xem mục 1.3.1)

-Hệ số độ tin cậy về tải trọng Q (còn gọi là hệ số vượt tải)

-Hệ số điều kiện làm việc của kết cấu C(bảng 3 TCXDVN 338:2005)

Cường độ tính toán của vật liệu kết cÂu là cường độ tiêu chuẩn nhân với hệ số C vàchia cho hệ số M; tải trọng tính toán là tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số Q

1.1.2 Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo Quy phạm AISC/ASD

(1) Quy phạm AISC/ASD áp dụng phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép (hay cách gọi khác: thiết kế theo ứng suất làm việc) Cơ sở của phương pháp này là:

mọi cấu kiện, mối liên kết và các liên kết phải được chọn kích thước sao cho ứng suấtgây bởi tải trọng làm việc không vượt qóa ứng suất cho phép đã quy định trước Quyphạm ấn định giá trị ứng suất cho phép để có một độ an toàn trước khi đạt tới một ứngsuất giới hạn không được vượt qua nh là ứng suất chảy tối thiểu của thép, hoặc ứngsuất oằn (vì tại các ứng suất này thì xảy ra phá hoại) ứng suất cho phép lấy bằng ứngsuất giới hạn (nh giới hạn chảy Fy hoặc ứng suất tới hạn Fcr), chia cho một hệ số antoàn FS (factor of safety) Hệ số an toàn đảm bảo một lượng dự trữ về khả năng chịulực cho kết cÂu và các cÂu kiện Cần có dự trữ khả năng chịu lực để xét đến khả năngquá tải (tải trọng vượt qóa tải trọng dự kiến khi sử dụng bình thường) và khả năng chịulực kém do kích thước thép bị thiếu hụt hoặc do cường độ của thép có thể thấp hơn giátrị tối thiểu đã quy định

(2) Để xác định hệ số an toàn FS, phải 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 nhất định nào đó.Giả thiết ứng suất thực tế (hay tải trọng thực tế, cũng là vậy) vượt qóa ứng suất thiết kế

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

R - R = S + S hay (1.1)

Hệ số an toàn chính là tỉ số của độ bền danh nghĩa trên ứng suất thiết kế:

(1.2)

Phương trình này cho thấy ảnh hưởng của việc qóa tải S/S và việc chịu lực kém

R/R, chứ chưa xét các yếu tố khác Nếu giả thiết rằng sự qóa tải ngẫu nhiên S/S cóthể lớn hơn giá trị danh nghĩa 40% và giả thiết sự chịu lực kém R/R có thể nhỏ hơngiá trị danh nghĩa 15% thì có:

(1.3)

Quy phạm AISC dùng FS=1,67 là giá trị cơ bản của thiết kế theo ứng suất chophép ứng suất cho phép là ứng suất giới hạn chia cho hệ số an toàn FS này, tức là:

(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 Quy phạm AISC có một quy định quan trọng như sau: ứng suất chophép có thể được tăng thêm 1/3 so với giá trị thông thường nếu tính toán với tải trọng

gió hoặc động đất, các tải trọng này tác dụng riêng rẽ hoặc kết hợp với tĩnh tải và hoạt

tải

(1) Theo truyền thống chung của các Quy phạm Anh, 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 2 nhóm lớn được gọi là: trạng thái cực

hạn (phá hỏng) và trạng thái sử dụng (làm việc bình thường).

Trạng thái giới hạn về phá háng bao gồm:

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

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

- Biến động của tải trọng;

- Các tổ hợp có thể có của tải trọng;

- Phương pháp thiết kế và cÏ chi tiết;

- Các phương pháp chế tạo và dựng lắp;

- 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 suấtcho phép chỉ dùng một hệ số an toàn chung duy nhất còn phương pháp trạng thái giớihạn thì dùng nhiều hệ số an toàn bộ phận Đây là các hệ số an toàn thông dụng nhấtdùng trong thiết kế kết cấu thép:

a) Hệ số an toàn tải trọng  f Hệ số này được nhân với tải trọng tiêu chuẩn (haycòn gọi là tải trọng danh nghĩa) để thành tải trọng tính toán (hay còn gọi là tảitrọng đã gia tăng) Hệ số f xét sự biến động của giá trị tải trọng, các tổ hợp tảitrọng và xét cả phương pháp thiết kế Nó được viết thành tích số của các hệ số:

Các giá trị của được cho trong bảng 1.1 dưới đây (trích từ bảng 2, BS 5950)

B ng 1.1 H s an to n t i tr ng ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng ệ số an toàn tải trọng ố an toàn tải trọng àn tải trọng ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng ọng

b) Hệ số an toàn cường độ vật liệu  m

Hệ số này được lấy bằng 1,0 Lấy m=1,0 không có nghĩa là không có dự trữ an toàncho độ bền vật liệu, mà thực ra dự trữ này đã được xét khi quy định cường độ tính toáncủa vật liệu Qña vậy, hệ số này có thể viết thành:

Trong đó: , là những hệ số an toàn bộ phận của vật liệu, xét sự biến động củatính chất vật liệu và cả phương pháp chế tạo và dựng lắp GÝa trị của các hệ số nàyđược đưa vào giá trị của cường độ tính toán của thép py (xem mục 1.3.3)

(1)-Thiết kế theo trạng thái giới hạn: EN 1993-1-1:2005 quy định tính toán kết

cấu thép theo trạng thái giới hạn Cũng bao gồm: Các trạng thái giới hạn về khả năng

chịu lực và Các trạng thái giới hạn về sử dụng

(2)-Hệ số độ tin cậy: hệ số độ tin cậy gồm: , ( là hệ số an toàn về tải trọng); i

=0,51,0 (là hệ số tổ hợp tải trọng); (là hệ số an toàn vật liệu)

(1) - Hiện nay trên thế giới tồn tại hai phương pháp chính để thiết kế cấu kiện thành

máng: Phương pháp ứng suất cho phép và phương pháp trạng thái giới hạn Phương

pháp ứng suất cho phép (ASD – allowable stress design) được áp dụng ở Mĩ trong tiêu

chuẩn AISI trước năm 1991 Từ 1991, Tiêu chuẩn AISI có thêm phương pháp hệ số

tải trọng và cường độ (LRFD – Load and resistance factor design) được dùng song

song với phương pháp ASD Phương pháp hệ số tải trọng và cường độ của AISI thực

tế rất gần với phương pháp trạng thái giới hạn tuy khác tên gọi và nội dung cũng khôngphải là hoàn toàn giống nhau Các nước khác nh Anh, Pháp, Nga, Trung Quốc và ócđều sử dụng phương pháp trạng thái giới hạn (limit state design) để thiết kế kết cấuthành máng

(2) –Phương pháp ứng suất cho phép ASD của Quy phạm AISI 1996

 Phương pháp ASD được áp dụng trong Quy phạm AISI từ năm 1946 và vẫn tiếp tụcđược áp dụng nh một trong hai phương pháp của Quy phạm 1996 Nội dung chính củaphương pháp này là : độ chịu lực yêu cầu R (tức là nội lực nh lực dọc, m«men, lực cắt)

do tải trọng làm việc sinh ra không được vượt qóa độ chịu lực thiết kế cho phép Ra : (I-1)

Độ chịu lực cho phép được tính bằng độ chịu lực danh nghĩa chia cho hệ số an toàn : (I-2)

Độ chịu lực danh nghĩa là khả năng chịu lực của cấu kiện đối với một trạng thái tínhtoán hoặc một cách phá hủy đã cho, được tính theo các đặc trưng hình học của cấukiện (diện tích tiết diện, m«®un chống uốn, m«men quán tính,…) và các đặc trưng vậtliệu (giới hạn chảy và giới hạn bền)

Hệ số an toàn  được chọn giá trị khác nhau tùy theo loại cấu kiện và trạng thái ứngsuất Phần lớn trường hợp giá trị của  lấy là 1,67 ; ngoài ra còn có các giá trị 1,8; 2,0.Liên kết hàn thì  lấy bằng 2,5; liên kết bul«ng thì là 2~2,22

 Các tổ hợp tải trọng của phương pháp ASD được quy định nh sau:

Khi tính với tải trọng gió (hoặc động đất) tác dụng đồng thời với tĩnh tải và hoạt tải thìtheo cách thường dùng của phương pháp ASD, ứng suất cho phép được tăng lên 4/3lần do tác dụng của gió (hoặc động đất) chỉ trong thời gian rất ngắn và mang tính cục

bộ Theo Quy phạm AISI của kết cấu thành máng thì không tăng ứng suất cho phép màgiảm ảnh hưởng của tổ hợp tải trọng 25%, tức là tương đương với việc nhân ảnhhưởng tải trọng với hệ số 0,75 Việc giảm ảnh hưởng tải trọng này chỉ được áp dụngcho các tính toán về độ chịu lực

(3) –Phương pháp hệ số tải trọng và cường độ LRFD của AISI 1996.

Phương pháp LRFD được viết chính thức thành một Quy phạm riêng từ 1991 để dùng

nh một phương pháp tùy chọn cùng với ASD của Quy phạm 1986 Từ AISI 1996, haiphương pháp được ghép chung vào một Quy phạm để áp dụng tùy chọn Khác vớiphương pháp ASD chỉ có một hệ số an toàn duy nhất, phương pháp LRFD sử dụngnhiều hệ số an toàn để xét đầy đủ hơn các biến động khác nhau của tải trọng, của vậtliệu, của trạng thái làm việc

 Công thức thiết kế: Công thức thiết kế thể hiện điều kiện an toàn của phương pháp

LRFD được viết dưới dạng:

(I-3)

Trong đó: Rn = độ chịu lực danh nghĩa;

Q = tác dụng của tải trọng (nội lực);

Rn bị giảm đi bởi hệ số  để xét các biến động về vật liệu và các biến động khác Tácdụng của tải trọng Q tức là các nội lực dọc, m«men, lực cắt tại tiết diện được xác địnhbởi phân tích và có tăng thêm bằng các hệ số tải trọng  để xét các biến động về tảitrọng Công thức (I-3) có nghĩa : Trong mọi trường hợp, độ chịu lực danh nghĩa Rn bịgiảm đi bởi hệ số  không được nhỏ hơn nội lực đã được gia tăng bởi hệ số tải trọng

- Hoạt tải L trong các tổ hợp c), d), e) được áp dụng hệ số 1,0 đối với các khu vựctập trung công cộng, đối với mọi khu vực mà giá trị L lớn hơn 4.79kN/m2;

- Khi tính xà gồ, tÂm tường, tÂm mái, hệ số tải trọng của W lấy là 0,9;

- Tải trọng Lr trong tổ hợp c) được dùng hệ số 1,4 khi là tải trọng do người và vậtliệu sửa chữa

 Độ chịu lực thiết kế R n: Đó là độ chịu lực có thể sử dụng được trong thiết kế Hệ số

độ chịu lực  xét các biến động của vật liệu, của kích thước, sự không chắc chắn trongtính toán,…và được xác định bằng cách tính xác suất Một vài giá trị của  được lấy

nh sau: cấu kiện uốn =0,90; cấu kiện kéo =0,90; cấu kiện nén đúng tâm =0,85; liênkết hàn =0,55 đến 0,60

Trong cả hai phương pháp ASD và LRFD, ngoài việc kiểm tra về độ bền, còn phảikiểm tra về điều kiện sử dụng để bảo đảm kết cÂu thực hiện được nhiệm vụ đề ra Yêucầu sử dụng thể hiện ở các điều kiện sau:

- Kết cấu không được biến dạng qóa khiến tổn hại cho các bộ phận khác gần liềnvới kết cấu;

- Kết cấu không được rung qóa mức;

- Kết cÂu hư háng qua thời gian, bị gỉ

Tải trọng để kiểm tra điều kiện sử dụng là tải trọng thực tế tác dụng lên công trình nhưtĩnh tải D, hoạt tải L, gió W, không có các hệ số tải trọng

(4) – Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn của AS 4600

Thiết kế theo trạng thái giới hạn là phương pháp thiết kế nhằm kiểm tra theo các điềukiện giới hạn ứng với các tải trọng tương ứng Hai điều kiện giới hạn cần kiểm tra làtrạng thái giới hạn về chịu lực và trạng thái giới hạn về sử dụng Trạng thái giới hạn vềchịu lực là các trạng thái của sự an toàn không bị phá hủy của kết cấu nh bị vượt khảnăng mang tải, bị chảy dẻo, bị sập gẫy, bị lật đổ, bị trượt, bị phá hoại mái,… Trạng tháigiới hạn về sử dụng là các trạng thái mà sự đối xử của kết cÂu là không đạt yêu cầu sửdụng nh biến dạng lớn qóa, bị rung, bị ăn mòn nhiều Người thiết kế phải đảm bảo chocường độ lớn nhất của kết cấu (hoặc bộ phận kế cÂu) lớn hơn nội lực gây bởi các tảitrọng sẽ tác động lên nó, với một độ dự trữ an toàn hợp lÝ (tính theo trạng thái giớihạn về chịu lực), đồng thời đảm bảo cho kết cấu thực hiện công năng của nó một cáchthỏa đáng khi chịu tải trọng sử dụng (tính theo trạng thái giới hạn về sử dụng)

 Nguyên tắc cơ bản: Phương trình cơ bản của thiết kế theo trạng thái giới hạn về chịulực là:

(I-4)

Trong đó:

S* = tác dụng của tải trọng thiết kế;

 = hệ số khả năng chịu lực;

Ru = khả năng chịu lực danh nghĩa của cấu kiện hay của liên kết

Tác dụng của tải trọng thiết kế S* được xác định bằng phân tích kết cấu chịu tác độngcủa tải trọng thiết kế tức là tổ hợp các tải trọng danh nghĩa tác động lên công trình cónhân thêm hệ số tải trọng tương ứng

Khả năng chịu lực danh nghĩa Ru của cấu kiện hay của liên kết là cường độ danh nghĩađược xác định theo đặc trưng của vật liệu, kích thước danh nghĩa của cấu kiện

Hệ số khả năng chịu lực  là hệ số được nhân với khả năng chịu lực danh nghĩa Ru đểxét vấn đề cường độ thực tế của cÂu kiện có thể bị giảm đi do các biến động của đặc

trưng vật liệu, của kích thước và việc chế tạo cũng như sự không chắc chắn của cácphương pháp tính toán Các giá trị của  được cho trong bảng 6 của AS 4600.

Tích số được gọi là kh¨ năng chịu lực thiết kế, khả năng này phải không nhỏhơn tác dụng của tải trọng thÝet kế S*

1.1.6 Nhận xét chung về các phương pháp thiết kế:

(1)-Về phương pháp thiết kế:

- Với thép cán nóng: Cả 3 tiêu chuẩn TCXDVN 338:2005; BS 5950:Part 1:2000 và

Eurocode 3 đều quy định thiết kế kết cấu thép theo trạng thái giới hạn Anh là mộttrong những nước đầu tiên ở châu Âu áp dụng phương pháp thiết kế kết cấu theo trạngthái giới hạn Tiêu chuẩn BS năm 1964 còn áp dụng phương pháp thiết kế theo ứngsuất cho phép, đến phiên bản BS 5950 thứ nhất năm 1985 đã chuyển sang thiết kế theotrạng thái giới hạn, còn Việt Nam đã sử dụng từ năm 1962 Về ý tưởng chung, cácphương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn của các tiêu chuẩn đều tương đồng nhau,tuy nhiên cách thể hiện và nội dung chi tiết có khác nhau Riêng Quy phạm Hoa Kỳ

AISC/ASD, từ năm 1993 đến nay, tồn tại song song 2 phương pháp thiết kế là: thứ

1-thiết kế theo ứng suất cho phép (còn gọi là 1-thiết kế theo ứng suất làm việc); thứ 2-1-thiết

kế theo hệ số tải trọng và cường độ (Load and Resistance Factor Design) Cả 2 phương

pháp này được sử dụng nh nhau, tùy theo sự lựa chọn của kỹ sư thiết kế

- Với thép TM: phương pháp thiết kế cũng tương tự nhóm thép cán nóng Trên thế giới

hiện nay tồn tại hai phương pháp chính: Phương pháp ứng suất cho phép và phươngpháp trạng thái giới hạn (đã được trình bày rất chi tiết trong mục 1.1.5) AS 4600 thiết

kế theo trạng thái giới hạn Nội dung của phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạncủa thép thành máng giống của thép cán nóng

(2)-Về hệ số an toàn:

- Với thép cán nóng: Cả 3 tiêu chuẩn TCXDVN 338:2005; BS 5950:Part 1:2000 và

Eurocode 3 đều sử dụng hệ số độ tin cậy về tải trọng và hệ số an toàn về vật liệu.Riêng Quy phạm Hoa Kỳ AISC/ASD sử dụng một hệ số an toàn chung duy nhất FS(factor of safety)

Một đặc điểm của phương pháp trạng thái giới hạn là có nhiều hệ số an toàn bộphận thay vì một hệ số an toàn duy nhất của phương pháp ứng suất cho phép Một hệ

số an toàn bộ phận còn có thể là tích của nhiều hệ số an toàn bộ phận khác BS sử dụngcác hệ số an toàn sau:

Hệ số an toàn về tải trọng : xét sự biến động của giá trị tải trọng và xét cả tổ hợptải trọng Trong TCVN, hệ số an toàn về tải trọng được gọi là hệ số độ tin cậy của tảitrọng hoặc quen gọi là hệ số vượt tải Hệ số an toàn này không bao gồm hệ số tổ hợptải trọng hệ số an toàn tải trọng của BS lớn hơn nhiều so với của TCVN, ví dụ tĩnh tải

là 1,4 so với 1,2; hoạt tải là 1,6 so với 1,2 hoặc 1,3; gió là 1,4 so với 1,2

Hệ số an toàn về cường độ vật liệu được lấy bằng 1,0 do lượng an toàn dự trữ đãđược xét khi quy định cường độ tính toán của vật liệu Hệ số an toàn về vật liệu theoTCVN được lấy từ 1,051,10 tùy loại thép TCVN còn có các hệ số an toàn nữa là hệ

số điều kiện làm việc của kết cấu, hệ số an toàn về chức năng công trình mà BS khôngcó

Nếu tính tổng hợp các hệ số an toàn thì hệ số an toàn theo TCVN nhỏ hơn theo BS Hoặc nói theo cách khác, tính toán theo BS thì độ an toàn lớn hơn

- Với thép TM: AS 4600 thiết kế theo phương pháp trạng thái giới hạn nên nó cũng có

đặc điểm là: có nhiều hệ số an toàn bộ phận (tư¬ng tự nh thép cán nóng) Các hệ số antoàn về tải trọng và vật liệu có giá trị được quy định cụ thể trong các bảng tra của AS

1.2.TảI trọng sử dụng trong thiết kế

Tải trọng dùng trong thiết kế kết cấu thép được lấy theo TCVN 2737 : 1995 hoặc tiêuchuẩn thay thế tiêu chuẩn trên (nếu có) Khi tính kết cÂu theo các giới hạn về khả năngchịu lực thì dùng tải trọng tính toán là tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số độ tin cậy vềtải trọng (còn gọi là hệ số tăng tải hoặc hệ số an toàn về tải trọng) Khi tính kết cÂutheo các trạng thái giới hạn về sử dụng và tính toán về mái thì dùng trị số của tải trọngtiêu chuẩn Tải trọng và tác động chia thành tải trọng thường xuyên và tải trọng tạmthời (dài hạn, ngắn hạn, đặc biệt) tùy 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 kếtcấu chịu lực, trọng lượng và áp lực của đất, tác dụng của ứng suất trước

- 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, tảitrọng lên sàn của các nhà kho, trọng lượng của sách trong thư viện v.v…

- Tải trọng tạm thời ngắn hạn gồm có: trọng lượng người, vật liệu sửa chữa, phụ

kiện, dụng cụ và đồ gá lắp trong phạm vi phục vụ và sửa chữa thiết bị; tác dụngcủa cầu trục; tác dụng của gió; trọng lượng của người; đồ đạc v.v…

- Tải trọng đặc biệt gồm: tác động của động đất, của vụ nổ lên công trình v.v…

Tổ hợp tải trọng gồm có tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt:

- 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 nguy hiểm Với G-tĩnh tải;Pi –hoạt tải thứ

i ; với ng –hệ số vượt tải của tĩnh tải G; với npi –hệ số vượt tải của hoạt tải Pi Các tổ hợp tải trọng tính toán được biểu diễn bằng công thức sau:

THCB I: ngG + npiPi và THCB II: ngG + 0,9npiPi (1.6)

- 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 đặcbiệt

1.2.2 Tải trọng thiết kế theo Quy phạm Hoa Kỳ

Hoa kỳ có nhiều tiêu chuẩn tải trọng do các cơ quan khác nhau biên soạn Đáng kểnhất và thông dụng nhất có các tiêu chuẩn sau: UBC Uniform Building Code do Hộinghị Quốc tế các quan chức xây dựng soạn, là một bộ trong đó cả tập hợp nhiều quyphạm khác nhau về xây dựng, quy hoÆch, an toàn, dùng nhiều trong các Bang miềnTây; SSBC Southern Standard Building Code, bởi Đại hội Quy phạm xây dựng phíaNam dùng tại các Bang miền Nam; BOCA National Building Code bởi Hội các nhàquản trị Quy phạm xây dựng quốc tế, dùng ở các Bang Đông và Bắc Ngoài ra còn cóQuy phạm của Hội kĩ sư xây dựng Hoa kỳ ASCE –American society of civilengineers, Viện Tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ ANSI Theo AISC/ASD, tải trọng danhnghĩa và tổ hợp tải trọng sẽ được quy định bởi tiêu chuẩn được áp dụng, với những kếtcấu được thiết kế hoặc yêu cầu bởi những điều kiện kèm theo Trong trường hợpkhông nêu tiêu chuẩn áp dụng cụ thể, tải trọng và tổ hợp tải trọng có thể được lấy trongtiêu chuẩn quốc gia Mü-Minimum Design Load for buildings and Other Structures,ANSI A58.1-1982 Nội dung cơ bản về tải trọng theo ANSI A58.1-1982 (Minimum

Design Load for buildings and Other Structures, New York, 1982) chia tải trọng tácdụng lên nhà và công trình được phân thành các loại sau:

1) Tĩnh tải (Dead Load): là tải trọng có độ lớn không đổi, vị trí cố định và tác

dụng trong suốt thời gian tồn tại của công trình Các tải trọng sau đây thuộc vềtĩnh tải: 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 hệthống 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; độ

lớn 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 suet thời gian tồn tại củacông trình Tải trọng thiết kế tối thiểu dùng cho kết cấu nhà và công trình khác

(xem bảng I.3) Ngoài tải trọng phân bố đều, tiêu chuẩn Hoa Kỳ cũng quy định

các tải trọng tập trung trên sàn mục 4.3, ANSI A58.1-1982 cần phải xét đếntrong thiết kế, nếu các tải trọng này gây nguy hiểm hơn so với tải trọng phân bố

đều (xem bảng I.2) Tải trọng tập trung được tính bằng đơn vị lb (pound) (hoặc

kG) trên diện tích tập trung 2,5ft x 2,5ft = 6,25ft2 = 0,6m2 (với 1ft=0,3048m)

3) Tải trọng gió (wind load): Theo quy chuẩn xây dựng thống nhất của Hoa Kỳ

mục 2317, phần V, UBC, áp lực thiết kế gió tại chiều cao bất kỳ là:

P=CeCqqsI (1.7)

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

Ce – hệ số tổng hợp các yếu tố chiều cao, dạng địa hình và xung của gió; (xemBảng I.6)

Cq – hệ số áp lực (pressure coefficient) ; (xem Bảng I.4)

qs - áp lực gió tại chiều cao 10m (33ft), psf (kG/m2); (xem Bảng I.6)

I – hệ số tầm quan trọng (The importance Factor) (xem Bảng I.7)

Hệ số tổng hợp Ce có liên quan đến dạng địa hình theo phân loại của Quy chuẩnxây dựng thống nhất của Hoa Kỳ mục 2.3.1.2, phần V, UBC:

+ Địa hình B: các vùng có nhà cửa, rừng cây cao trên 6m (20ft) với mật độ chiếm

ít nhất bằng 20% khu vực mở rộng ra cách công trình ít nhất là 1,6km (1mile)

+ Địa hình C: địa hình bằng phẳng, trống trải, mở rộng ra ngoài công trình ít nhất0,8km (0,5mile);

+ Địa hình D: địa hình thường xuyên chịu ảnh hưởng của gió với tốc độ trên130km/h (80 mile per hour), nhà hướng về phía vùng mặt nước với chiều rộng trên1,6km (1mile), vùng đất liền cách bờ biển 400m (0,25mile) hoặc cách bờ biển mộtkhoảng bằng 10 lần chiều cao của công trình

4) Tải trọng động đất: Tải trọng động đất sẽ được trình bày 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 thủy tĩnh của chất lỏng, áp lực đất, tải trọng tuyết, áp lực do tácdụng của lò v.v…

B ng I.2 ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng T i tr ng t p trung theo ANSI A 58.1 1982 – Tải trọng tập trung theo ANSI A 58.1 – 1982 ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng ọng ập trung theo ANSI A 58.1 – 1982 – Tải trọng tập trung theo ANSI A 58.1 – 1982

B ng I.3 ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng – Ho t t i phân b ạt tải phân bố đều theo ANSI A 58.1 – 1982 ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng ố an toàn tải trọng đều theo ANSI A 58.1 – 1982 u theo ANSI A 58.1 1982 – Tải trọng tập trung theo ANSI A 58.1 – 1982

Nhà ở căn hộ: -Phòng ngủ và hành lang phục vụ

-Phòng sinh hoạt chung và hành lang

40100

200500

200400

250500400500

Bệnh viện: -Phòng mổ, phòng thí nghiệm

-Các phòng bệnh nhân

-Hành lang

604080

300200400

Cửa hàng: -Cửa hàng tầng 1

-Cửa hàng tầng trên

-Cửa hàng buôn bán các loại

10075125

500350600

Thư viện: -Phòng đọc

-Kho sách

-Hành lang các tầng

6015080

300750400

Nhà máy: -Nhẹ

-Nặng

75125

375600

Kho: -Nhẹ

-Nặng

125250

6001200

B ng I.4 H s áp l c C ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng – Tải trọng tập trung theo ANSI A 58.1 – 1982 ệ số an toàn tải trọng ố an toàn tải trọng ực C q

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

+0,7-0,7

Tường lan can, tường chắn

-1,3-1,3 hoặc +1,3-1,7

-1,6 hoặc +0,8-1,7 hoặc +1,7

Độ dốc mái i<2:12

Độ dốc mái i=2:127:12

Độ dốc mái i=7:1212:12

-1,5 hoặc +1,2+2,3

-2,6-1,6

4 ống khói,

bồn bÓ,tháp đặc

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

1,41,10,8

Đường chéo Thẳng góc

1,03,6

+ Tiết diện tam giác 3,2

+ Các bộ phận phẳng, có góc cạnh

1,00,81,3

B ng I.5 H s t ng h p C ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng – Tải trọng tập trung theo ANSI A 58.1 – 1982 ệ số an toàn tải trọng ố an toàn tải trọng ổng hợp C ợp C e ( độ cao, địa hình, xung của gió) cao, địa hình, xung của gió) a hình, xung c a gió) ủa 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 gió ở độ cao 10m (33ft) Dấu (+) trước các hệ số là áp lực gió đẩy, dấu (-) là gió hút Các số không có dấu là áp lực gió tác dụng theo hướng bất

kỳ và trên diện tích hình chiếu thẳng góc với hướng gió

B ng I.7 H s t m quan tr ng I ( ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng – Tải trọng tập trung theo ANSI A 58.1 – 1982 ệ số an toàn tải trọng ố an toàn tải trọng ầm quan trọng I (để tính tải trọng gió) ọng để tính tải trọng gió) tính t i tr ng gió) ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng ọng

Ghi chú: bảng 23K, Occoupancy Categories, UBC:

(I)- Các cơ sở hạ tầng quan trọng: Bệnh viện, cơ sở y tế, trạm cứu hỏa, các bể

chứa nước dự trữ cho sinh hoạt và chữa cháy, trạm xe cấp cứu, trạm điện, trung tâm thông tin liên lạc 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 có trên 50 người cư ngụ, tất cả các công trình có trên 5000 người cư ngụ.

(IV)- Các công trình có mức độ người cư trú tiêu chuẩn: Các công trình

không liệt kê ở trên Theo Quy chuẩn xây dựng thống nhất Hoa Kỳ mục 2331, phần V, UBC, đối với những kết cấu dễ bị ảnh hưởng dưới tác dụng của động lực học, cần phải xem xét theo tiêu chuẩn riêng Các kết cấu dạng này gồm: nhà có tư 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 dao động mạnh.33

B ng I.8 H s t h p t i tr ng c b n theo m t s tiêu chu n ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng – Tải trọng tập trung theo ANSI A 58.1 – 1982 ệ số an toàn tải trọng ố an toàn tải trọng ổng hợp C ợp C ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng ọng ơ bản theo một số tiêu chuẩn ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng ộ cao, địa hình, xung của gió) ố an toàn tải trọng ẩn

1) 1,4D 2) 1,2D+1,6L 3) 1,2D+1,0L+1,6W 4) 0,9D1,6W 5) 1,2D+1,0L+1,0E 6) 0,9D1,0E

1) 1,0D 2) 1,0D+1,0L 3) 1,0D+1,0W 4) D+0,75L+0,75W 5) 0,6D-W

6) 1,0D+0,7E 7) D+0,75L+0,75(0,7)E 8) 0,6D-(0,7)E

Với IBC thì sử dụng

hệ sớ 0,75E, thay cho 0,75(0,7)E

Ghi chú: (Theo điều A5.2 của AISC/ASD 1989: ứng suất cho phép 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: là tải trọng gió; E: là tải trọng động đất

1.2.3 Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn Anh:

BS 5950 quy định tải trọng sẽ tuân theo các tiêu chuẩn sau:

BS 6399: Part 1, cho tĩnh tải và hoạt tải;

BS 6399: Part 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 dùng Quy phạm cũ năm 1972 (soát xét 1993) là CP3:Chapter V: Part 2

(1) Tải trọng tĩnh và 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 mái do người, do công tác sửa chữa

- Tải trọng do thiết bị nh 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 trọngtạm thời Một vài giá trị của hoạt tải được cho trong bảng I.9 dưới đây, trích từ BS

bằng hoặc tải tập trung 1,8kN.Mái không có người lên:

(2) Tải trọng tĩnh gió theo CP3 Chương V, Phần 2

Tải trọng gió lên công trình phải được tính toán cho:

- Toàn thể kết cấu

- Từng cấu kiện riêng lẻ nh tường, mái

- Từng tÂm tường, tÂm mái và liên kết của chúng

a) Tốc độ gió thiết kế:

Tốc độ gió thiết kế được tính công thức:

(1.8)

Trong đó: V là tốc độ gió cơ bản và S1; S2; S3 là các hệ số tốc độ gió thiết kế

Tốc độ gió cơ bản V là tốc độ của trận gió 3 giây, lớn nhất với chu kì 50 năm, đo tại độcao 10m trên mặt đất trống Tốc độ này được đo tại các trạm khí tượng và được thống

kê qua các năm để trở thành tiêu chuẩn của mỗi quốc gia CP3 cho một bản đồ củanước Anh với các giá trị V tại các vùng, nhỏ nhất là 37m/s tại vùng London và lớnnhất là 56m/s tại các đảo phía bắc

ta sẽ không trình bày ở đây

- Hệ số S 2 Hệ số này xét ảnh hưởng liên hợp của độ nhấp nhô của mặt đất, sựbiến thiên của tốc độ gió theo chiều cao và kích thước của nhà hay bộ phận nhàđang tính toán Độ nhấp nhô của đất được chia làm 4 loại như sau:

+ Độ 1: mặt đất thoáng đãng, bằng phẳng không có nhà nh bờ biển, sân bay,

cánh đồng, đồng cỏ, không có tường hay hàng rào chung quanh

+ Độ 2: mặt đất bằng phẳng có hàng rào hay tường chung quanh, rải rác cây cối

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

+ Độ 3: mặt đất có nhiều vật cản lớn nh khu vực có rừng, thi trÊn, ngoại « thành

phố lớn

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

các thành phố lớn

Tường mái bao che và kích thước của nhà và bộ phận được chia làm 3 lớp nh sau:

 Lớp A: mọi bộ phận tường, mái, kính và liên kết của chúng cũng nh các cấu kiện

của công tr×nhkh«ng được bao che

B ng I.10 H s S2 ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng – Tải trọng tập trung theo ANSI A 58.1 – 1982 ệ số an toàn tải trọng ố an toàn tải trọng

0,730,780,900,940,961,001,031,061,081,111,131,151,171,191,201,21

0,720,790,931,001,031,071,101,121,141,171,191,211,221,241,251,26

0,670,740,880,950,981,031,061,081,101,131,161,181,191,211,221,24

0,630,700,830,910,940,981,011,041,061,091,121,141,161,181,191,21

0,640,700,780,880,951,011,051,081,101,131,161,181,201,211,231,24

0,600,650,740,830,900,971,011,041,061,101,121,151,171,181,201,21

0,550,600,690,780,850,920,961,001,021,061,091,111,131,151,171,18

0,560,600,670,740,790,900,971,021,051,101,131,151,171,191,201,22

0,520,550,620,690,750,850,930,981,021,071,101,131,151,171,191,21

0,470,500,580,640,700,790,890,940,981,031,071,101,121,141,161,18

b) áp lực động của gió.

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

q = k Vs2 trong đó k = 0,613 theo đơn vị SI (N/m2 và m/s)

q phụ thuộc vào độ cao (vì phụ thuộc vào S2 thay đổi theo chiều cao)

c) Hệ số áp lực và hệ số lực.

Để xác định lực lên ngôi nhà hay công trình, hoặc bộ phận của chúng, áp lực động q sẽđược nhân với một hệ số tùy thuộc hình dạng của nhà hay công trình hoặc bộ phận củachúng Có 2 loại hệ số này: hệ số áp lực Cp và hệ số lực Cf :

- Hệ số áp lực C p: hệ số này được cho trên mỗi bề mặt hoặc phần bề mặt của nhà.Diện tích của bỊ mặt nhân với hệ số áp lực và áp lực động sẽ cho tải trọng giótác dụng theo phương vuông góc với bỊ mặt

Khi tính tải trọng gió trên từng cấu kiện riêng lẻ nh tường hay mái, cần chú ý sự saikhác 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 trong Cpi Lực tác dụng Fvuông góc với bề mặt cấu kiện là:

- Hệ số hợp lực C f Hệ số này áp dụng vào toàn thể nhà hay công trình, dùng nhânvới diện tích đón gió hữu hiệu Ae của nhà hay công trình và nhân với áp lựcđộng q sẽ cho tổng lực gió lên công trình:

F = Cf q Ae (1.11)

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

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

ma sát kéo theo để cộng với lực gió đã tính toán bên trên Với nhà hình chữ nhật cóbao che, chỉ cần cộng thêm khi tỉ số d/h hay d/b là lớn hơn 4, với d là bề dài (kíchthước đo theo phương gió) và b là bề rộng kích (thước đo vuông góc với phươnggió), h là bề cao nhà Lực ma sát kéo theo trong phương gió được tính theo côngthức:

Khi hb, thì F’ = Cf q b (d-4h) + Cf q2h(d-4h)

Khi h>b, thì F’ = Cf q b (d-4b) + Cf q2h(d-4b) (1.12)

Số hạng thứ nhất của vỊ sau của công thức là lù kéo theo trên mái, số hạng sau làlực trên tường

Cf = 0,01 đối với bề mặt nhẵn, không có gờ hay sên ngang với hướng gió;

Cf = 0,02 đối với bề mặt có gờ ngang với hướng gió;

Cf = 0,04 đối với bỊ mặt có sên ngang với hướng gió

(3) Tổ hợp tải trọng.

Mọi tải trọng trên kết cấu phải được xét riêng rẽ rồi được tổ hợp lại sao cho đạtđược nội lực lớn nhất tại tiết diện đang xét của kết cấu Mỗi tải trọng phải đượcnhân với hệ số vượt tải tương ứng f (xem bảng 1.1) Ví dụ đối với nhà một tầngkhông cầu trục thì các tổ hợp tải trọng là nh sau:

B ng I.11 B ng t h p t i tr ng theo BS 6399 ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng ổng hợp C ợp C ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng ọng

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

Tĩnh tải D + tải áp đặt I + gió W 1,4D + 1,2I + 1,2W(có nhiều trường hợp gió)Tĩnh tải D + gió W (bốc lên) 1,0D + 1,4W(có nhiều trường hợp gió)

Cơ sở thiết kế và tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn châu Âu được quy định nh sau:

EN 1990: Cơ sở thiết kế (Basic of structural design); EN 1991: Tải trọng trên kếtcấu đối với nhà và các công trình khác (Eurocode 1: Actions on Structures related

to buildings and other structures) Được phân chia thành các phần nh sau:

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

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

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

EN 1991-1-5: Những tác động nhiệt (Thermal action)

EN 1991-1-6: Những tác động trong qóa trình thi công (Ac during execution)

EN 1991-1-7: Những tác động ngẫu nhiên (Accidental Actions) TảI trọng và tácđộng để thiết kế theo EN 1993-1-1:2005 được lấy từ EN 1991

(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 ofconstruction 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 dungtrọng, góc ma sát trong của vật liệu lưu trữ

Phụ lục B Hàng rào ngăn và tường phòng hộ cho 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 theo EN 1991-1-1:2002 chia theođặc điểm của công năng sử dụng nh là:

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

- 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 cácloại A,B,C,D ứng với mỗi loại này có giá trị tải trọng tập trung và phân bố khácnhau Ví dụ diện tích trong các công trình nhà ở, công cộng, thương mại, nhàquản lý điều hành được phân chia theo loại tra trong bảng I.12 và giá trị tải trọngphân bố, tải trọng tập trung tra trong bảng I.13

Bảng I.12- Phân hạng tải trọng sử dụng.

C2: Diện tích có các ghế ngồi cố định C3: Những diện tích không cản trở đi lại

ví dụ: những diện tích trong viện bảo tàng, phòngtrưng bày v.v…Diện tích lối vào trong các côngtrình công cộng, nhà hành chính, khách sạn, bệnhviện, sân trước của ga tàu hỏa

C4: Diện tích có các hoạt động thân thể

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 nhưphòng hòa nhạc, hội trường thể thao bao gồm:chỗ đứng, sân thượng, diện tích lối vào và sân ga

D2: Diện tích trong cửa hàng bách hóa

Bảng I.13- Tải trọng áp đặt trên sàn, ban công, cầu thang

(trích b ng 6.2 tiêu chu n EN 1991-1-1:2002)ảng 6.1 EN 1991-1-1:2002) ẩn EN 1991-1-1:2002)Loại diện tích đặt tải qk (daN/m2) Qk (daN)

Loại A

- Trên sàn

- Trên cầu thang

- Trên ban công

(2) Tải trọng gió theo 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, 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 action)

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 lực (pressure and force coefficients)

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

Phụ lục A - ảnh hưởng địa hình (terrain effects)

Phụ lục B - Phương pháp 1 để xác định hệ số kết cấu cscd (procedure 1 fordetermining the structural factor cscd)

Phụ lục C - Phương pháp 2 để xác định hệ số kết cấu cscd (procedure 2 fordetermining the structural factor cscd)

Phụ lục D - Giá trị cscd cho các kiểu khác nhau của kết cấu (cscd values for differenttypes of structures)

Phụ lục E - Loại bỏ xoáy và không ổn định khí đàn hồi (Vortex shedding andaeroelastic instabilities)

Phụ lục F - Những đặc trưng động của kết cấu (Dynamic characteristics ofstructures)

Vận tốc gió cơ bản được xác định trung bình 10 phút với xác suất năm không vượtqóa 0,02 (tương đương 50 năm) Không kể hướng gió ở độ cao 10m trên mặt phẳngthoáng mở của địa hình và được xác định bởi thay đổi độ cao

(3) Hệ số vượt tải và tổ hợp tải trọng.

Theo mục 4.11 của prEN 1990:200115 phân tải trọng tác động F làm các loại: Tảitrọng thường xuyên (G), ví dụ: trọng lượng bản thân kết cấu, thiết bị cố định…Tảitrọng thay đổi theo thời gian (Q), ví dụ: tải trọng áp đặt (sử dụng) trên sàn, dầm,mái, tải trọng gió, tải trọng tuyết…Tải trọng bất thường, ví dụ tải trọng động đất, tảitrọng do vụ nổ…

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

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

-hệ số an toàn của tải trọng thường xuyên GK,i

- hệ số an toàn của tải trọng thay đổi QK,i

i – Hệ số tổ hợp, i =0,51

Trường hợp thiết kế với tải trọng bất thường dùng công thức sau:

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

đối với các công trình nhà cửa, công thức (1.16) có thể biểu diễn đơn giản hơn nhưsau:

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

Khi thiết kế theo trạng thái giới hạn thứ 2 (trạng thái giới hạn về sử dụng), theo mục6.5.3 15 sử dụng các tổ hợp tải trọng sau:

Đối với các kết cấu nhà, công thức (1.21) có thể biểu diễn đơn giản nh sau:

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

(1.22)

- Khi quan tâm đến tất cả các tải trọng thay đổi bất lợi:

(1.23)

Hai công thức nêu trên cũng có thể được dùng thay cho công thức (1.20)

Các giá trị của tải trọng danh nghĩa, các tổ hợp tải trọng và các hệ số tải trọng tươngứng được cho trong Tiêu chuẩn tải trọng của úc AS 1170 Dưới đây trích dẫn một

số quy định của Tiêu chuẩn AS 1170

Các tổ hợp tải trọng cơ bản của trạng thái giới hạn chịu lực:

c = hệ số tổ hợp của hoạt tải

Một số giá trị của c được lấy nh sau:

Loại hoạt tải c

Sàn nhà dân dụng, văn phòng 0,4

Sàn kho 0,6

Mái có người lên 0,4

Mái không có người lên 0,0

Khi tính theo trạng thái giới hạn về sử dụng, tải trọng gió Ws chỉ lấy bằng 0 ,4Wu

1.2.6 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 lấytrung bình trong 3s ở độ cao 33ft (tương đương 10m) trên mặt đất, kết hợp với xácsuất hàng năm bằng hoặc không vượt qóa 0,02 (tức là 50 năm thì vượt một lần)khác với chu kỳ của Việt Nam là 20 năm Đây cũng là tiêu chí mà tất cả việc tínhtải trọng gió bắt đầu.

Về tiêu chuẩn tải trọng UBC 1997: Chương 16 của bộ UBC (mới nhất năm1997) gồm 42 trang dành cho các loại tải trọng Cho định nghĩa của hoạt tải là tảitrọng đặt lên do việc sử dụng công trình, không gồm tải trọng gió như tiêu chuẩnViệt Nam Hoạt tải sàn luôn gồm tải trọng phân bố và tập trung Ví dụ đối với nhàlàm việc, tảI phân bố là 50 pounds/foot vuông (nhân với 4,788)=244daN/m2; Tảitập trung là 960daN (lớn hơn so với TCVN) Nhà ở, lớp học là khoảng 200daN/m2,cũng lớn hơn TCVN Tải trọng gió nh nêu ở trên, cách tính khác nhiều so vớiTCVN ở các hệ số khí động, các hệ số địa hình, hệ số độ cao, hệ số tầm quan trọngcủa công trình, đặc biệt là không có cách tính về động lực Ví dụ đối với kết cÂutháp 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 tiêuchuẩn Mü khác như của AISC, ACI Không được tính toán theo các tiêu chuẩn kếtcấu của Mü mà lại dùng tiêu chuẩn của Việt Nam hoặc nước khác để xác định tảitrọng

Sau đó các tiêu chuẩn UBC, BOCA, SSBC tiến triển thành IBC (internationalbuildings 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 7làm tài liệu tham khảo cơ bản Một số phiên bản như ASCE 7-93; ASCE 7-98;ASCE 7-02, phiên bản mới nhất là ASCE 7-05

Giữa CP3 và BS 6399 Phần 3 có sự khác nhau rất cơ bản: CP3 dùng tốc độ gió

đo trong 3 giây, với chu kỳ 50 năm còn BS 6399 thì dùng tốc độ gió trung bìnhtrong 1 giờ với chu kỳ 50 năm Do đó mà tốc độ gió V m/s dùng để tính áp lực làkhác xa nhau trong 2 tiêu chuẩn CP3 gần với TCVN 2737:1995 vì tốc độ gió cũng

là đo trong 3s, nhưng khác là chu kỳ gió Việt Nam là 20 năm Nh vậy có thể nói là

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=0,613V2 (đơn vịSI) chung cho cả 2 tiêu chuẩn CP3 và TCVN Ngoài sự khác biệt không lớn vềnhững hệ số độ cao, hệ số che khuất và địa hình, giữa 2 tiêu chuẩn có sự khác cơbản về hệ số khí động (hay hệ số áp lực) Hệ số khí động của TCVN được xác định

do kết qña đo áp lực lên mô hình trong ống khí động nên áp dụng được cho những

vật thể có hình khối giống như mô hình: nhà đóng kín, công trình nói chung Hệ sốcủa CP3 cũng như của Tiêu chuẩn Quy phạm nhiều nước được cho đối với ngôi nhàthực nghĩa là có xét sự mở cửa trên các bức tường, xét cả sự lọt gió qua các khe cửangay khi cửa đóng kín, như vậy luôn luôn có áp lực bên trong nhà Hệ số áp lựctính toán là tổng hệ số áp lực ngoài và trong Do không thể biết được tình hình lọtgió vào trong nhà là bao nhiêu nên sẽ sử dụng 2 giá trị cực đoan của hệ số áp lựctrong (+0,2 đối với nhà kín và -0,3 đối với nhà hở), và chọn trường hợp bất lợi nhất.

Nh 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 gióđối với các bộ phận không nhẵn của nhà

Theo TCVN, tổ hợp tải trọng gồm có 2 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, nh trình bày ởtrên, 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 còn1,2 thay cho 1,4 của D, W và là 1,6 của L khi tác dụng riêng rẽ, tức là tính theo BSthì 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 qña là tính toán công trình dựa theo tải trọng củaTCVN thường cho nội lực lớn hơn tính theo BS Kết hợp với nhận xét về vật liệukhi tính toán theo 2 tiêu chuẩn (xét ở mục tiếp theo), ta thấy khó có thể nói là tínhtoán theo tiêu chuẩn nào thì tiết kiệm vật liệu hơn, mà tùy theo từng trường hợp cụthể

c Nhận xét về Eurocode 3 so với TCVN:

Khi tính toán tải trọng, cả 2 tiêu chuẩn (TCXDVN 338:2005 và Eurocode 3) đềuquy định có hệ số vượt tải Tuy nhiên hệ số vượt tải của Eurocode 3 lớn hơn củaTCXDVN 338:2005 Cả 2 tiêu chuẩn đều quy định đưa tải trọng vào tính toán cầnnhân với hệ số tổ hợp, các hệ số tổ hợp theo 2 tiêu chuẩn là khác nhau Khi tínhtoán theo trạng thái giới hạn về điều kiện sử dụng (trạng thái giới hạn thứ 2),TCXDVN 338:2005 dùng tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn giống như Eurocode 3, khitính lấy các hệ số vượt tải bằng 1, và chuyển vị (biến dạng) cho phép của kết cấutheo TCXDVN 338:2005 cũng như là theo Eurocode 3 Các giá trị cho trong bảng6.2 của EN 1991-1-1:2002 trên cũng tương đương với tiêu chuẩn TCVN 2737-95

Ví dụ văn phòng cơ quan của trụ sở cơ quan theo TCVN 2737-95 là 200 daN/m2,theo EN 1991-1-1:2002 là loại B từ 200300daN/m2 Nhà hàng ăn uống giải kháttheo TCVN 2737-95 là 300daN/m2, theo EN 1991-1-1:2002 được biên soạn theohướng mở, có tính chất giới thiệu để các quốc gia áp dụng tùy theo từng trường hợpriêng

d Nhận xét về AS 4600 so với TCVN:

Khi tính toán tải trọng, cả 2 tiêu chuẩn (AS 4600 và TCXDVN 338:2005) đều quyđịnh có hệ số vượt tải Tuy nhiên hệ số vượt tải của AS 4600 lớn hơn củaTCXDVN 338:2005 Cả 2 tiêu chuẩn đều quy định đưa tải trọng vào tính toán cầnnhân với hệ số tổ hợp, các hệ số tổ hợp theo 2 tiêu chuẩn là khác nhau

1.3.Vật liệu thép sử dụng theo các tiêu chuẩn thiết kế:

1.3.1 Vật liệu thép theo tiêu chuẩn Việt Nam:

Vật liệu thép dùng trong kết cấu phải được lựa chọn thích hợp tuỳ theo tính chấtquan trọng của công trình, điều kiện làm việc của kết cấu, đặc trưng của tải trọng và

phương pháp liên kết, v.v…Về ký hiệu theo TCVN 1765:1975 thép các bon thôngthường ký hiệu là CT, hai số sau là giới hạn bền tối thiểu khi kéo đứt tính bằng kG/

mm2 (kN/cm2) Căn cứ theo công dụng, thép được chia là 3 nhóm: nhóm A, thépthuộc nhóm này phải đảm bảo tính chất cơ học; nhóm B phải đảm bảo thành phầnhoá học; nhóm C phải đảm bảo cả thành phần hoá học và tính năng cơ học Thépdùng làm kết cấu chịu lực có mác tương đương với các mác thép CCT34, CCT38(hay CCT38Mn), CCT42 và các mác tương ứng của TCVN 5709:1993, các mácthép hợp kim thấp theo TCVN 3104:1979 Không dùng thép sôi cho các kết cấuhàn làm việc trong điều kiện nặng hoặc trực tiếp chịu tải trọng động như dầm cầutrục chế độ nặng, dầm sàn đặt máy, kết cấu hành lang băng tải, cột vượt của đườngdây tải điện cao trên 60m, v.v…Cường độ tính toán của vật liệu thép cán và thépống đối với các trạng thái ứng suất khác nhau được tính theo các công thức của

bảng I.15 Trong bảng này fy và fu là ứng suất chảy và ứng suất bền kéo đứt củathép, được đảm bảo bởi tiêu chuẩn sản xuất thép và được lấy là cường độ tiêuchuẩn của thép; M là hệ số độ tin cậy về vật liệu, lấy bằng 1,05 cho mọi mác thép.Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính toán f của thép các bon và thép hợp kim

thấp cho trong bảng I.16 và bảng I.17 (với các giá trị lấy tròn tới 5 N/mm2) Đối vớicác loại thép không nêu tên trong tài liệu này và các loại thép của nước ngoài đượcphép sử dụng theo bảng I.15, lấy fy là ứng suất chảy nhỏ nhất và fu là ứng suất kéođứt nhỏ nhất được đảm bảo của thép, M là hệ số độ tin cậy về vật liệu, lấy bằng 1,1cho mọi mác thép

B ng I.15- C ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng ường độ tính toán của thép cán và thép ống ng độ cao, địa hình, xung của gió) tính toán c a thép cán v thép ng ủa gió) àn tải trọng ố an toàn tải trọng

Trạng thái làm việc Ký hiệu Cường độ tính toán

ép mặt trong khớp trụ khi tiếp xúc chặt fcc fcc=0,5fu/M

ép mặt theo đường kính của con lăn fcd fcd=0,025fu/M

Bảng I.16-Các giá trị f y , f u và f của thép các bon (TCVN 5709:1993)

Đơ bản theo một số tiêu chuẩn n v tính: N/mm ịa hình, xung của gió) 2

210230250

200220240

200220240

190210230

340 380 420

1.3.2 Vật liệu thép theo Quy phạm Hoa Kỳ

1.3.2.1 Thép theo Quy phạm Hoa Kỳ

thép của Hoa Kỳ được sản xuất và đặt tên theo tiêu chuẩn ASTM (American

Society for Testing and Materials) Có 16 loại được chọn dùng trong xây dựngbởi viện AISC Có thể phân các loại thép này vào 4 nhóm sau đây:

a) Thép các bon (hay thép kết cấu):

- A36, loại thép các bon thấp phổ thông dùng rộng rãi trong xây dựng

- A53, loại thép các bon thấp dùng làm ống hàn hoặc không mạch nối, để trần hay mạkẽm, dùng nhiều trong nhà, đặc biệt làm cột hay giàn

- A500 và A501, ống thép tròn, vuông hay chữ nhật, tạo hình nguội (A500) hoặc cánnóng (A501), dùng cho kết cấu phổ thông hàn hay liên kết bul«ng

- A529, thép các bon, làm tÂm và thanh nhỏ, tính năng cơ học khá cao, dùng trongnhà, đặc biệt nhà tiêu chuẩn hóa

- A570, thép các bon chất lượng cao dạng sản phẩm chủ yếu là thép dải hoặc cuộn thépmáng; chuyên dùng làm cấu kiện tạo hình nguội của nhà

(ghi chú: chữ A trong tên loại thép có nghĩa là: quy định trong quyển A)

b) Thép hợp kim thấp cường độ cao:

- A572, thép rất thông dụng, thành phần hợp kim là c«lombi và vanađi, sản phẩm làthép hình, tÂm và thanh Có 4 cấp: 42, 50, 60, 65 Dùng cho kết cấu hàn, liên kếtbul«ng và đinh tán với cả 4 cấp

- A441, thép tương tự, ngày nay được thay thế bởi A572

- Bốn loại hợp kim thấp cường độ cao A242, A588, A606, A607, có độ bền chốngxâm thực của khí trời cao hơn thép các bon nhiều lần Được gọi là thép chịu thờitiết, sản phẩm là thép hình và thép tÂm Dùng làm kết cấu hàn, bul«ng hay đinh táncủa nhà và cầu

c) Thép hợp kim và hợp kim thấp được nhiệt luyện:

A852, A514 Các thép này có tính năng cơ học rất cao: cường độ chảy có thể đạt tới 80đến 110 ksi (55 đến 76 kN/cm2) Có thể hàn được bằng phương pháp thích hợp Chỉ cósản phẩm là thép tÂm, dùng chủ yếu cho cầu hàn

d) Thép kết cấu dùng làm cầu:

A709 Nhóm thép này bao gồm nhiều loại thép khác nhau: thép các bon, thép hợp kimthấp cường độ cao, thép hợp kim, thép nhiệt luyện Các cấp cường độ bao gồm các cấpcủa A36, A572, A588 và A514, nhưng độ bền chịu va chạm cao hơn

Bảng I.18 dưới đây cho các tính chất của 16 loại thép được chấp thuận sử dụng theoQuy phạm của AISC

Bảng I.18- Tính chất của 16 loại thép được chấp thuận sử dụng

theo Quy ph m c a AISC ạt tải phân bố đều theo ANSI A 58.1 – 1982 ủa gió)

STT Tên gọi theo

ASTM

ứng suất chảy tối thiểu F y ,ksi (kN/cm 2 )

Cường độ kéo đứt F u , ksi (kN/cm 2 )

4 A441 thôi không được sử dụng từ 1989; được thay bởi A572

100 (69)

100-130 (69-89,5)110-130 (76-89,5)

Dày 65 đến 150mmĐến 65mm

Dày đến 100mmTrên 65 đến 100mmĐến 65mm

1.3.2.2 Thép hình và thép tÂm theo Quy phạm Hoa Kỳ

Các sản phẩm thép kết cấu được chế tạo thành các dạng thép hình, thép thanh dẹt vàthép tÂm

Thép hình cán nóng thông dụng là thép góc (chữ L), thép máng (chữ C) và chữ I Thép

I dùng rộng rãi nhất là loại cánh rộng, gọi là thép W (W là từ “wind-flange”, cánh

rộng) Thép W cánh rộng được ký hiệu bằng chữ W kèm theo bề cao tiết diện tínhbằng in và trọng lượng tính bằng fót, ví dụ W18x60 là có bề cao 18 in và nặng 60pounds/foot (trong hệ đơn vị SI có nghĩa là bề cao danh nghĩa 460mm và khối lượng là

89,2kg/m) (Ghi chú: 1lb/ft = 1,487 kg/m) Có rất nhiều loại kích cỡ của tiết diện W:

loại lớn nhất và nặng nhất là W44x285, W36x848; loại nhỏ nhất và nhẹ nhất là W4x13

và W6x9

Thép hình S (S do chữ “standard”- tiêu chuẩn) còn gọi là dầm I tiêu chuẩn, có cánh mặt

trong dốc và hẹp hơn và bơng dày hơn so với thép W Kích cỡ bao gồm trong phạm vi

từ S24x106 đến S3x4.1

Thép hình I khác gọi là thép M (M từ chữ “miscellaneous” pha tạp), có kích thước vàtrọng lượng khác với thép S và thép W Dùng làm cột và dầm trong các công trình thépnhẹ Kích cỡ bao gồm phạm vi từ M14x18 tới M6x4.4

Thép máng, còn gọi là thép C (C từ chữ “channel”), có mặt trong của cánh là dốc

nghiêng Ký hiệu là C15x50 (lớn nhất) đến C3x4.1 (nhỏ nhất) Thép máng pha tạp hay

MC là loại không xếp được vào loại C Ký hiệu là MC18x58 (lớn nhất) tới MC6x12(nhỏ nhất)

Thép góc (đều cạnh và không đều cạnh) được kÝ hiệu bằng chữ L; bề rộng và bề dày

của cánh tính bằng in Cạnh dài viết đầu tiên còn bề dày viết sau cùng Cỡ lớn nhất làL9x4x5/8 đối với thép góc không đều cạnh và L8x8x11/8 đối với thép góc đều cạnh;

cỡ nhỏ nhất là L1x1x1/8

Còn có một loại thép hình khác là thép T cắt ra từ các thép hình W hay M hay S shape(được kÝ hiệu là WT, MT, ST) Ví dụ thép WT5x44 bề cao danh nghĩa là 5 in và trọnglượng 44 pounds/foot được cắt ra từ W10x88

Tiết diện ống tròn được gọi là “standard” tiêu chuẩn, “extra strong” rất dày, và

“double- extra strong” cực dày, tùy theo bề dày ống, và được kÝ hiệu theo đường kính

Ví dụ ống 8 in, double- extra strong có đường kính ngoài 8,625 in và bề dày thành ống0,875 in; còn ống 8 in standard thì kích thước tương ứng là 8,625 và 0,322 in

ống chữ nhật được kÝ hiệu bằng các kích thước ngoài và bề dày, ví dụ ống chữ nhật

14x6x1/2

Thép dẹt được cán từ phôi và được phân loại thành thanh dẹt và tÂm, tùy theo bề rộng

và bề dày Thép tròn và thép vuông được chế tạo bằng cách kéo tuốt

Thông thường thanh dẹt và tÂm được phân loại nh sau:

Thanh dẹt : rộng bằng hoặc ít hơn 6 in; dày từ 0,230 in trở lên

rộng từ 6 in tới 8 in; dày từ 0,203 in trở lên

TÂm : rộng trên 8 in; dày từ 0,230 in trở lên

rộng trên 48 in; dày từ 0,180 in trở lên

Hình 1-1: thép cán hình tiêu chuẩn ASTM

1.3.3.1 Các mác thép dùng làm kết cấu

Tiêu chuẩn BS 5950 quy định được áp dụng kết cấu làm bằng các mác thép củaAnh quy định trong BS 5950-2, ngoài ra cũng có thể làm bằng các loại thép khác nếu

có xét đến hệ số an toàn thích hợp Các tiêu chuẩn thép BS EN 10025, BS EN 10013,

BS EN 10055, v.v…là tiêu chuẩn Châu Âu được áp dụng ở Anh Thực tế sử dụng phổbiến nhất là các mác thép S235, S275, S355, S460 (S là structural, thép kết cấu, cáccon số là giới hạn chảy của thép bằng N/mm2) Mỗi cấp thép lại gồm các nhóm chấtlượng, ví dụ của BS EN 10025 là JR, JO, J2, K2 xếp theo độ dai chịu va chạm Thép

JR chịu được công va chạm 27 Joule ở nhiệt độ phòng (20°C), thép JO ở nhiệt độ 0°C,còn thép J2 ở nhiệt độ -20°C Tên thép theo tiêu chuẩn BS EN thay thế cho tên théptheo tiêu chuẩn Anh quen thuộc BS 4630 Theo BS 4630, thép kết cấu có các cấpcường độ 40, 43, 50, 55 v.v…,con số chính là giới hạn bền kéo đứt của thép theokN/cm2 Mỗi cấp cường độ lại có hạng A, B, C, D,…khác nhau về độ dai va đập; hạng

A không xét độ dai va đập, hạng B tương đương với JR, hạng C tương đương với JO

và hạng D là J2 Các tên thép của BS 4360 đã được thay thế bằng tên thép của Tiêuchuẩn châu Âu BS EN nh sau: S235 thay cho cấp 40, S275 thay cho cấp 43, S355 thaycho cấp50, S460 thay cho cấp 55 Ví dụ tên cũ là BS 4360 gr.43B thì nay tên theo BS

EN 10025 là S235 JR

1.3.3.2 Cường độ tính toán của thép

Cường độ tính toán của thép được lấy là:

B ng I.19- C ảng 1.1 Hệ số an toàn tải trọng ường độ tính toán của thép cán và thép ống ng độ cao, địa hình, xung của gió) tính toán c a thép ủa gió)

S275

16406380100

275265255245235

S355

16406380100

355345335325315

S460

16406380100

450440430410400Ngoài ra, một số tính chất cơ học khác của thép cần để tính toán kết cấu cũng được chotrong Tiêu chuẩn nh sau:

M«®un đàn hồi E=205 kN/mm2

- Thép góc đều cạnh và không đều cạnh, có kÝ hiệu ví dụ : 150x150x18 RSA, làthép góc đều cạnh rộng 150 mm và dày 18mm; 80x60x7 RSA, là thép góckhông đều cạnh, cánh rộng 80, 60 và dày 7mm

- Thép chữ I, được gọi là universal beam (UB)- dầm phổ thông, có kÝ hiệu ví dụ

305 x 127 x 48 UB (những tài liệu mới đây kÝ hiệu là 305 x 127 UB 48) là dầmthông dụng cao 305, rộng 127mm và khối lượng 1 m dài là 48kg

- Thép chữ I cánh rộng, được gọi là universal column (UC)- cột phổ thông, có kÝhiệu ví dụ 254 x 254 x 107 UC (hoặc 254 x 254 UC 107), ý nghĩa giống nh trên

- Thép chữ C, được gọi là channel – thép máng, có kÝ hiệu ví dụ 203 x 89 RSC làthép máng cán nóng cao 203, rộng 89 mm;

- ống chữ nhật, được gọi là tiết diện chữ nhật rỗng – rectangular hollow section(RHS), có kÝ hiệu ví dụ 200 x 100 x 8 RHS là bề cao, bề rộng và bề dày theomm

- ống tròn, được gọi là tiết diện tròn rỗng – circular hollow section (CHS), có kÝhiệu ví dụ 200 x10 CHS là đường kính ngoài và bề dày, mm