phân tích sự làm việc và hiệu quả kinh tế của dầm chịu uốn xiên có tiết diện chữ c cán nóng và z thành mỏng

Trong phạm vi luận văn, tác giả tập trung nghiên cứu phân tích sự làm việc của dầm chịu uốn xiên tiết diện chữ C thép cán nóng và tiết diện chữ Z thép thanh thành mỏng và hiệu quả kinh t

PHAN THANH HẢI

PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC VÀ HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA DẦM CHỊU UỐN XIÊN CÓ TIẾT DIỆN CHỮ C CÁN NÓNG VÀ Z

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: GS TS Phạm Văn Hội

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Quang Viên

Phản biện 2: TS Huỳnh Minh Sơn

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 09 năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay ở Việt Nam đã có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép TCXDVN 338:2005 nhưng vẫn chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép thanh thành mỏng Trong phạm vi luận văn, tác giả tập trung nghiên cứu phân tích sự làm việc của dầm chịu uốn xiên tiết diện chữ

C thép cán nóng và tiết diện chữ Z thép thanh thành mỏng và hiệu quả kinh tế của nó, là loại kết cấu phổ biến được dùng trong nhà công nghiệp

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu phương pháp tính dầm chịu uốn xiên tiết diện chữ

C thép cán nóng theo TCXDVN 338 : 2005

- Nghiên cứu phương pháp tính dầm chịu uốn xiên tiết diện chữ

Z thép dập nguội thanh thành mỏng theo tiêu chuẩn EUROCODE3

- Nghiên cứu hiệu quả kinh tế khi sử dụng dầm chịu uốn thép chữ C cán nóng và thép chữ Z thanh thành mỏng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu xà gồ thép chữ C cán nóng

và thép chữ Z thanh thành mỏng

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu xà gồ áp dụng cho nhà công nghiệp ở Việt Nam

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu dựa theo tiêu chuẩn TCXDVN 338 - 2005 và theo tiêu chuẩn EUROCODE3

- Thực hiện các ví dụ tính toán cụ thể dựa vào sự hổ trợ của chương trình tính trên Excel

5 Bố cục đề tài

Ngoài phần mở đầu, kết luận Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VIỆC ÁP DỤNG DẦM CHỊU UỐN XIÊN TRONG CÔNG TRÌNH THÉP

Chương 2 TÍNH TOÁN DẦM CHỊU UỐN XIÊN THEO TIÊU CHUẨN 338-2005 VÀ TIÊU CHUẨN EUROCODE3

Chương 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VIỆC ÁP DỤNG DẦM CHỊU UỐN XIÊN

TRONG CÔNG TRÌNH THÉP 1.1 XÀ GỒ CHỮ C TỪ THÉP CÁN NÓNG

Hình 1.1: Mặt cắt tiết diện xà gồ chữ C

- Giảm trọng lượng thép từ 25% đến 50% nên tiết kiệm thép

- Thi công lắp dựng nhanh, giảm thời gian tới 30%

- Hình dạng tiết diện đa dạng

- Tiêu chuẩn hóa và điển hình hóa các loại tiết diện

- Hình dạng tiết diện có nhiều ưu việt, tính thẩm mỹ cao

b Nhược điểm

- Giá thành chế tạo 1 đơn vị thép tạo hình nguội cao hơn thép cán nóng (đắt hơn 30%)

- Chi phí phòng gỉ cao hơn

- Yêu cầu công nghệ cao hơn trong quá trình sản xuất, vận chuyển, bốc xếp, dựng lắp

- Thiết kế khó hơn vì cấu kiện làm việc phức tạp hơn

c Kích thước các tiết diện thông thường

Hình 1.3: Một số loại tiết diện thanh thành mỏng

1.3 VIỆC CHẾ TẠO XÀ GỒ

1.3.1 Xà gồ thép chữ Z thanh thành mỏng

a Phương pháp và công nghệ chế tạo

* Máy gấp mép, Máy ép khuôn, Máy cán trục lăn:

* Giới thiệu một số loại máy cán xà gồ hiện đại:

+ Máy cán xà gồ C trọng lượng nhẹ Ameco-LC-PRF0:

Máy cán xà gồ thay đổi cở tự động C/Z:

b Vật liệu thép sử dụng

c Các chú ý phòng gỉ

1.3.2 Xà gồ thép chữ C cán nóng

a Vật liệu thép sử dụng

Theo TCXDVN 338 : 2005 có các loại thép như sau:

* Thép cacbon thấp cường độ thường:

* Thép cacbon thấp cường độ khá cao:

* Thép cường độ cao:

b Các chú ý

Vấn đề lớn nhất ở đây chính là phòng gỉ cho cấu kiện, bằng các biện pháp như dùng sơn chống gỉ, sơn lót lên bề mặt cấu kiện sau đó dùng lớp sơn phủ bề mặt ngoài để tạo thẩm mỹ

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN DẦM CHỊU UỐN XIÊN THEO TIÊU CHUẨN TCXDVN 338 : 2005 VÀ TIÊU CHUẨN EUROCODE3 2.1 TÍNH TOÁN XÀ GỒ THÉP CÁN NÓNG CHỮ C THEO TCXDVN 338 : 2005

2.1.1 Nguyên tắc thiết kế

a Các trạng thái giới hạn

Tiêu chuẩn TCXDVN 338: 2005 quy định việc tính toán kết cấu thép theo phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH)

- Trạng thái giới hạn 1: Khả năng chịu lực tối hậu

- Trạng thái giới hạn 2: Trạng thái giới hạn sử dụng

b Các hệ số an toàn

Khi tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn phải dùng các hệ

số độ tin cậy sau: gM; gQ; gC

c Các công thức tính toán theo các trạng thái giới hạn

2.1.2 Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán

2.1.3 Tải trọng và tác động

Tải trọng và tác động để tính toán kết cấu thép được lấy theo tiêu chuẩn nhà nước “TCVN 2737: 1995 Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế”

a Phân loại tải trọng

Tùy theo thời gian tác dụng, tác dụng được chia thành tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời (dài hạn, ngắn hạn và tải trọng đặc biệt)

b Tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán

c Tổ hợp tải trọng

d Biến dạng cho phép của kết cấu

Độ võng của cấu kiện chịu uốn không được vượt quá giới hạn cho phép như sau:

+ Xà gồ mái tấm tôn nhỏ: L/150

+ Xà gồ mái tôn múi và các tôn khác: L/200

L là nhịp của cấu kiện chịu uốn

2.1.4 Khả năng chịu lực của tiết diện chữ C làm xà gồ mái

Xà gồ là cấu kiện chịu uốn xiên nên tiết diện thường dùng là thép cán chữ C (vì có độ cứng tương đối lớn theo cả hai phương) Thông thường dùng xà gồ đơn giản Gọi q là tải trọng tác dụng trên

xà gồ do tĩnh tải và hoạt tải mái thì

q= (g + gc

xago.ng) (1.6) g= (pc.np+ g n d

Phân tích q thành hai phần qy và qx gây uốn quanh hai trục x-x

và y-y (hình 1.1): qy gây uốn quanh trục x-x , qx gây uốn quanh trục y-y qx = q.sina ; qy = q cosa (1.8)

Do xà gồ có độ cứng quanh trục y-y là nhỏ nên người ta thường cấu tạo hệ giằng xà gồ bằng thép tròn f=18~22mm Trị số mômen

y

y x

x y x

W

M W

M +

= +

= s s

Khi kể đến sự phát triển biến dạng dẻo thì:

c

y

y x

W

M W

2 , 1 12 ,

æ D +

÷ ø

ö ç è

æ D

=

D

B B

B B

y x

2 2

, (1.12)

Trong đó:

y

c x x

l E

B q

B 384

.

l E

B q

B 384

.

ù êë

éD

B

Ngoài ra, cần kiểm tra xà gồ chịu tải trọng gió, hệ số khi động trên mặt mái lớn nhất Ce= - 0,7( khi gió thổi vào đầu hồi nhà, áp dụng cho nhà có tỉ số 1 £ 1

L

H

), tải gió có chiều theo trục y-y(vuông góc với mặt mái) nên chỉ gây uốn quanh trục x-x Vì tải gió ngược chiều với tĩnh tải nên khi tính tải gió vào xà gồ cần phải trừ đi thành phần qy của tĩnh tải mái (hệ số độ tin cậy 0,9):

gió

f W

M W

B q

.

2.2 TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN THÉP THANH THÀNH MỎNG THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE3

2.2.1 Trạng thái giới hạn về cường độ

2.2.4 Tính toán bề rộng hữu hiệu

a Phần tử phẳng không có sườn tăng cứng

* Với trạng thái giới hạn về cường độ

* Trường hợp ứng suất nén scom,Ed = fyb/ gM1:

s s

p s

l

Ek

f t

b Ek

f v t

) 22 , 0 0 , 1

-= (2.16)

Giá trị rtính theo (2.16) luôn <1

* Trường hợp ứng suất nén scom,Ed < fyb/ gM1:

Cách 1: Tính như phần a nhưng thay lp thành lp, red, với:

1

, 1

,

Ed com p

M cr

Ed com red

s l g

s

s

Cách 2: Tính toán r như sau:

Tính lp như (2.14) và lp, red như (2.17)

Nếu lp,red £ 0 , 673 : r = 1 , 0 (2.18)

Nếu lp,red > 0 , 673:

6 , 0 18

0 /

22 , 0

-=

p

red p p red

p

red p

l

l l l

l

* Với trạng thái giới hạn sử dụng:

Việc tính toán hoàn toàn như trên, chỉ thay giá trị lực

Ed

com,

s thành scom,Ed,ser được tính toán ứng với các tổ hợp tải trọng

ứng với trạng thái sử dụng và hệ số an toàn riêng gM1= 1

b Phần tử phẳng với sườn biên tăng cứng

* Lý thuyết chung

Độ cứng của liên kết đàn hồi được tính cho chiều dài 1 đơn vị

theo công thức : K = u/d (2.20)

Trong đó: d là chuyển vị của sườn tăng cứng khi chịu tác dụng

của lực u khi u = 1 thì K = 1/d Xem hình 2.4

) 1 ( 12

v x

ub

p

+

-= q

d (2.22) Với θ = ubp /Cθ (2.23)

* Phần tử phẳng với sườn biên tăng cứng

t C t t b

t C

t C t t b

y

eff e

eff eff

e

+ +

+ +

+

=

) (

2 ) ( ) 2 (

) (

2

2 2

(2.24)

* Cách tính tổng quát

Tiết diện ban đầu Bước 1: Tiết diện hữu hiệu ban đầu Giả thiết: scom,Ed = fyb/ gM1, K =∞ Kết quả: ceff, As

Bước 2: Tính scr, sdựa theo As đã tính ở trên

Kết quả: scr, s, c

Tính As dựa trên c fyb/ gM1đã tính ở trên

Kết quả: As Tính tred dựa trên c đã tính ở trên Kết quả: tred = c t

Bước 3: Lặp lại bước 2, tính với tiết diện giảm yếu đã tính ở trên

thì lấy cn , tred = cnt Bước 4: Tính các đặc trưng hình học dựa vào tiết diện vừa tính được

Hình 2.7: Quy trình tính tiết diện hữu hiệu của cánh nén chữ C, Z

* Cách tính đơn giản hóa

- Tính be2,ceff như trong bước 1 ở trên

- Tính Is ứng với be2 và ceff như bước 2 ở trên

- Hệ số giảm tiết diện c= 0,5 nếu:

Is³ 0 , 31 ( 0 , 15 + h / bp)( fyb/ E )2( bp/ t )3As2

- Hệ số giảm tiết diện c= 1,0 nếu :

Is³ 4 , 86 ( 0 , 15 + h / bp)( fyb/ E2)( bp/ t )3As2

- Diện tích tiết diện hữu hiệu của vùng tăng cứng: As,red = cAs

- Bề dày mới của vùng As : tred = ct

* Bề rộng hữu hiệu của bản bụng không có sườn tăng cứng

trung gian khi ứng suất nén thay đổi tuyến tính

Hình 2.8: Mặt cắt ngang hữu hiệu của bản bụng

- Bề rộng hữu hiệu ban đầu:

Seff,1 = 0,95t

ed com M

, ,

,

, , +D + +D £+

M com z eff y

Sd z Sd z M com y eff y

Sd y Sd y M

f

M M

A

f

N

g g

1 /

/

, ,

Sd z Sd

z M ten y eff y

Sd y Sd

y M

f

M M

A

f

N

g g

g

y

(2.33)

2.2.7 Kiểm tra tiết diện khi chịu uốn, xoắn, nén kết hợp

2.2.8 Kiểm tra ổn định tổng thể- cường độ chịu oằn bên do uốn - xoắn

Mb,Rd =cLTWeff fyb/ gM1 (2.57)

2.3 KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA XÀ GỒ TIẾT DIỆN C, Z THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE 3

2.3.1 Phân tích trạng thái chịu lực của xà gồ mái dạng chữ

e h h v K

2 3

2

1 ( 4

1 = - + + (2.60)

C D A

D D

C C

C

, , 1 / /

1

1 +

= (2.61)

2.3.3 Xác định các nội lực kiểm tra

8

1

L q

Sd y

eff

Sd y

W

M W

Sd fz y

eff

Sd y

f W

M W

M

g

ö ç

ç è

æ

(2.71)

c Kiểm tra khả năng chịu lực theo TTGH về sử dụng

Độ võng lớn nhất của xà gồ được xác định như sau:

úû

ù êë

éD

£

D

L L

128

3

= D

gr gr

-= (2.76)

CHƯƠNG 3

VÍ DỤ TÍNH TOÁN 3.1 VÍ DỤ 1: TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA XÀ

GỒ MÁI TIẾT DIỆN CHỮ Z THÉP THANH THÀNH MỎNG DẬP NGUỘI THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE 3

Số liệu đầu vào: Mái lợp tôn, bước khung 4,5m, độ dốc mái 150 Chọn xà gồ: Z180x70x20x3 có các đặc trưng hình học sau:

89

1

= 0,01114 N/mm/mm

06,0180

3510000.61,492

4

3.180

702

=-

)()1

min

=++-

Et

e h h v K

- Tính Ifz: Tính với tiết diện toàn bộ cánh chịu nén + 1/6 chiều cao bảng bụng, dựa vào công thức sức bền vật liệu ta có:

Các mômen quán tính: Ify = 287574m4; Ifz = 592900mm4

- Tính R theo công thức:

406,0592900.210000

4500.01114,0

4

2 4

p s

l

Ek

f t

b Ek

f v t

=> Tiết diện hữu hiệu ban đầu: As = 3(32 + 11,98) = 131,9mm2

- Tính hệ số giảm tiết diện lần 1: χ

Tính độ cứng Cq theo (2.21), chuyển vị d ứng với u = 1:

3

210000 3

= 7875 Theo (2.23) θ = ubp /Cθ = 64/7875 = 0,008126

2 3

) 1 ( 12

v x

t C

t C t t b y

eff e

eff eff

e

+ +

+ +

+

=

) (

2 ) ( ) 2 (

) (

2

2 2

= 11,57mm

Is = 3536,62mm4 =>

s

s s

KEI

2, =

Vậy sau lần lặp thứ 2 ta thấy χ2 < χ1 => χ = χ2 = 0,910

- Tiết diện hữu hiệu của cánh nén như hình vẽ:

s cr yb

f / s ,

l =

)2,0(15,

[ 1 ]0,5 0,893

2 2

=-

+

=

l f f c

Với tred = 0,910.3 = 2,730 mm

b Tính tiết diện hữu hiệu của bảng bụng

- Tiết diện ban đầu: - Tiết diện hữu hiệu khi chịu uốn:

+ Tính h1, h2 ban đầu, xác định các giá trị Seff1, Seff,n theo mục 2.2.4 chương 2

+ Tính lại h1, h2 theo tiết diện hữu hiệu mới xác định được + Tính lặp các giá trị h1, h2 cho đến khi kết quả các lần tính kế tiếp gần bằng nhau và không đổi

+ Thay số và tính ta được: h2 = 75,65 mm

Tiếp tục quá trình lặp trên tới bước thứ 4 ta được kết quả như sau: h1 = 105,63 mm

=> Seff,1 = 0,4Sn = 42,25 mm; Seff,n = 0,6Sn = 63,38 mm

- Giá trị mômen chống uốn: Weff,y,com = Ieff,y/h1

=> các đặc trưng hình học của tiết diện hữu hiệu, tính với hệ trục chính Oyz: Ieff,y = 2821511 mm4

Vậy khi uốn quanh trục y-y: Weff,com,y = 26,71 cm3

Khi uốn cánh tự do quanh trục z-z: Wfz = 8,66 cm3

3.1.3 Tính toán tiết diện hữu hiệu khi chịu ứng suất nén đều

σ = f yb /γ M1

2 210000

250 2

174

1,489 > 0,673

489,1

)489,1

22,00,1(

= 26,38 N/cm

- Với cánh tự do, theo công thức (2.70) => qFd2 = 22,301 N/cm

b Kiểm tra ổn định của cánh nén tự do

* Tính hệ số giảm tiết diện: χ

Thế các số liệu trên vào (2.71) => qFd = 20,289 N/cm

c Kiểm tra khả năng chịu lực theo điều kiện độ võng

200

1128

3

=úû

ùêë

3.1.6 Kết luận khả năng chịu lực của xà gồ

q = min(qFd1; qFd2; qFd) = 20,289N/cm = 202,89 daN/m

3.2 VÍ DỤ 2: TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA XÀ

GỒ TIẾT DIỆN CHỮ C VỚI CÁC SỐ LIỆU SAU

qx = q.sinα daN/m; qy = q.cosα daN/m

Các giá trị mômen uốn:

B q

W

B q

y x

=+

=

.8

.sin

8

.cos

c y

y x

x y

W

M W

.1,1.384

.sin 5

.1,1.384

.cos

è

æ+

÷

÷ø

öç

I E

B q

B

a a

Thế các số liệu trên vào ta được: q2 = 0,48 daN/cm = 47,73daN/m

Kiểm tra độ võng của xà gồ khi chịu gió:

Tấm mái được liên kết chặt vào xà gồ nên (Δx = 0)

Độ võng theo phương trục y:

200

1

384

.

= úû

ù êë

é D

£

= D

B I

E

B q

x

c gió y

2 2

= úû

ù êë

éD

£

÷÷

ö çç

æ D +

÷ ø

ö ç è

æ D

=

D

B B

B B

y x

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

* Kết luận:

Trong phạm vi của luận văn này, tác giả chỉ nghiên cứu một phần trạng thái làm việc của kết cấu thép thanh thành mỏng đó là cấu kiện chịu uốn xiên theo tiêu chuẩn Eurocode 3 và áp dụng tính toán

cụ thể cho xà gồ mái tiết diện chữ Z Với cách tính đơn giản hóa bằng việc coi cánh tự do làm việc ngoài mặt phẳng như một cấu kiện riêng chịu uốn đặt trên nền đàn hồi hệ số K, cách tính này giúp người thiết kế không phải tính toán các đặc trưng tiết diện của thanh thành mỏng như Bimomen, tọa độ quạt…rất phức tạp

Luận văn cũng dành một phần nghiên cứu về cách tính cấu kiện chịu uốn xiên theo tiêu chuẩn TCXDVN 338 : 2005 và áp dụng tính toán cụ thể cho xà gồ mái tiết diện chữ C

Với việc tính toán cụ thể qua hai loại tiết diện nói trên tác giả cho thấy rằng sử dụng kết cấu thép thanh thành mỏng dập nguội sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất cao so với sử dụng kết cấu thép cán nóng

* Kiến nghị:

Nước ta nên phát triển và sử dụng kết cấu thép thanh thành mỏng vì nó có nhiều ưu điểm và mang lại hiệu quả kinh tế cao Tiếp tục nghiên cứu và tham khảo tiêu chuẩn Eurocode 3 để biên soạn tiêu chuẩn tính toán kết cấu thép thanh thành mỏng

Thiết lập chương trình tính toán kết cấu thép thanh thành mỏng, lập các bảng tra sẵn áp dụng cho các loại mái tôn, nhịp và tiết diện xà

gồ khác nhau