Tính toán ổn định tổng thể của dầm thép có kể đến các điều kiện biên và phân phối nội lực theo tiêu chuẩn eurocode 3

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN DUY HẢO TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM THÉP CÓ KỂ ĐẾN CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN VÀ PHÂN PHỐI NỘI LỰC THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE 3 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN DUY HẢO

TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM THÉP CÓ KỂ ĐẾN CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN VÀ PHÂN PHỐI NỘI LỰC THEO

TIÊU CHUẨN EUROCODE 3

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2015

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 Trần Quang Hưng

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Ngành Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công

nghiệp họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 26 tháng 12 năm 2015

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đề tài luận văn “Tính toán ổn định tổng thể của dầm thép có

kể đến các điều kiện biên và phân phối nội lực theo tiêu chuẩn Eurocode 3 ” nhằm tìm hiểu đặc điểm làm việc, ứng xử của các bộ

phận, cách tính, lập quy trình tính toán ổn định tổng thể của dầm thép

có kể đến điều kiện biên và phân phối nội lực theo tiêu chuẩn Eurocode 3, trên cơ sở đó so sánh với cách tính theo Tiêu Chuẩn thiết

kế kết cấu thép của Việt Nam TCVN 5575:2012

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu đặc điểm làm việc, ứng xử các bộ phận của dầm thép;

- Tìm hiểu, lập quy trình và cách tính toán ổn định tổng thể cho dầm thép có kể đến điều kiện biên và phân phối nội lực theo tiêu chuẩn Eurocode 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: dầm thép

- Phạm vi nghiên cứu: luận văn này, giới hạn việc tính toán ổn định tổng thể kết cấu dầm thép có kể đến điều kiện biên và phân phối nội lực theo tiêu chuẩn Eurocode 3; qua đó đưa ra quy trình tính toán

ổn định tổng thể kết cấu dầm thép liên tục có kể đến điều kiện biên và phân phối nội lực theo tiêu chuẩn Eurocode 3

4 Phương pháp nghiên cứu

4.2 Phương pháp số

Tiến hành các ví dụ bằng số để minh họa tính toán ổn định tổng thể kết cấu dầm thép liên tục có kể đến điều kiện biên và phân phối nội lực theo tiêu chuẩn Eurocode 3;

5 Cấu trúc luận văn

Với mục đích và tiêu chí nêu trên, luận văn dự kiến bao gồm phần mở đầu, phần kết luận kiến nghị và 3 chương chính sau đây:

- Chương 1: Tổng quan về dầm thép và ổn định kết cấu

- Chương 2: Lý thuyết tính toán ổn định tổng thể dầm thép

- Chương 3: Ví dụ tính toán

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DẦM THÉP VÀ ỔN ĐỊNH KẾT CẤU

1.1 TỔNG QUAN VỀ DẦM THÉP

1.1.1 Đặc điểm của dầm thép

Kết cấu dầm thép được sử dụng rộng rãi nhờ có ưu điểm: cường độ lớn, độ tin cậy cao, trọng lượng nhẹ, chịu lực tốt, cấu tạo tương đối đơn giản và chi phí không lớn nên phù hợp với sản xuất công nghiệp

1.1.2 Các loại dầm thép trong xây dựng

1.2 KHÁI NIỆM VỀ ỔN ĐỊNH KẾT CẤU

1.2.1 Khái niệm chung

Theo giáo trình sức bền vật liệu – PGS.TS Lê Ngọc Hồng: độ

ổn định của kết cấu là khả năng duy trì, bảo toàn được dạng cân bằng ban đầu trước các nhiễu động có thể xảy ra

trọng nhỏ ban đầu bắt buộc phải chuyển sang dạng biến dạng mới khác trước về tính chất

1.2.3 Các tiêu chí về sự cân bằng ổn định

a Tiêu chí dưới dạng tĩnh học

- Nếu P*>P: cân bằng ổn định

- Nếu P*<P: cân bằng không ổn định

- Nếu P*=P: cân bằng phiếm định

b Tiêu chí dưới dạng năng lượng

Xét  U *là độ biến thiên của thế năng toàn phần của hệ khi chuyển từ trạng thái đang xét sang trạng thái lân cận sẽ là:

 độ biến thiên của công ngoại lực

- Nếu  U   T hệ ở trạng thái cân bằng ổn định

- Nếu  U   T hệ ở trạng thái cân bằng không ổn định

- Nếu  U   T hệ ở trạng thái cân bằng phiếm định

1.2.4 Các phương pháp nghiên cứu ổn định

a Các phương pháp tĩnh học

b Các phương pháp năng lượng

c Phương pháp động lực học

1.3 CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN ỔN ĐỊNH CỦA DẦM 1.3.1 Ổn định tổng thể

z

z

F F l

CHƯƠNG II

LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ

DẦM THÉP

2.1 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẤU KIỆN

2.1.1 Trường hợp dầm chịu tác dụng mô men uốn thuần túy

(a) (b)

Hình 2.1 Dầm chịu mô men uốn thuần túy

Công thức xác định mô men tới hạn

Đây là công thức tính toán mô men tới hạn cho dầm chịu uốn

thuần túy, các trường hợp khác như: dầm đơn giản, dầm con son…

tính toán tương tự

2.2 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ DẦM THEO EUROCODE 3

2.2.1 Mô men tới hạn của dầm theo Eurocode 3

Hình 2.2 Tiết diện dầm chữ I không đối xứng

C1, C2, C3: Hệ số phụ thuộc dạng tải trọng và điều kiện liên kết

hai đầu dầm (có bảng kèm theo)

2.2.2 Tính toán mô men giới hạn của dầm – tính toán ổn định

a Đối với dầm tiết diện chữ I có hai trục đối xứng:

f

E l

h I

Ix y

54,

I y t

18

f f w f

f

f

t b

at b

h

t l

 (2-70)

Giá trị của φ b trong công thức (2-67) lấy như sau:

φ 1 ≤ 0,85 thì φ b = φ 1

φ b > 0,85 thì φ b = 0,68 + 0,21 φ 1 , nhưng không lớn hơn 1

b Đối với dầm tiết diện chữ I có một trục đối xứng

Để xác định φ b cần tính các hệ số φ 1 , φ 2:

f

E l

hh I I

x

y

2 0

1 1

hh I I

x

y

2 0

2 2

2



 

2.3.2 Một số chú ý khi kiểm tra ổn định tổng thể dầm

Nhận thấy rằng, giá trị momen tới hạn Mcr phụ thuộc vào hình dạng, đặc trưng hình học của tiết diện dầm, vào vị trí tải trọng tác dụng lên dầm, vào cách liên kết dầm với gối tựa, vào cách bố trí liên kết ngăn cản chuyển vị ngang của cánh nén (cách bố trí các kiềm chế ngang)

Biện pháp tăng cường ổn định tổng thể

Để tăng cường ổn định tổng thể, chống oằn ngang, cần tiến hành theo cá giải pháp sau:

- Xem xét việc sử dụng bản sàn: nên sử dụng bản sàn bê tông cốt thép hoặc bản sàn thép có cố kết chặt bản sàn vào cánh nén của dầm

- Điều chỉnh các tỷ số bf / tf , bf / hf để biểu thức trên thoả mãn Theo đó việc tăng bề rộng cánh bf, giảm bề dày cánh tf, giảm khoảng cách hai bản cánh hfk có thể sẽ đạt hiệu quả, nhưng sẽ phải chọn lại tiết diện dầm

- Trong hệ dầm sàn, khi bản sàn không dủ cứng, cần phải giảm nhịp tính toán ngoài mặt phẳng (giảm l0) cho cánh nén dầm, bằng cách bố trí thêm hệ giằng, thanh chốn ngang

2.4 SO SÁNH CÁCH TÍNH ỔN ĐINH TỔNG THỂ CỦA DẦM THÉP THEO TCVN 5575:2012 VÀ EUROCODE 3

2.4.1 Điểm tương tự nhau

1 Cả hai tiêu chuẩn đều xây dựng dựa trên lý luận về ổn định ngang của dầm chịu uốn của Timoshenko

2 Giá trị Mcr, Mb,kd phụ thuộc vào các đặc điểm sau:

M



1,



Rd b

EdM M

STT TCVN 5575:2012 Eurocode 3

2

Không phân lớp tiết diện, chỉ

sử dụng một loại tiết diện: tiết

diện dẻo, tiết diện đặc chắc;

không cho phép dùng tiết diện

mảnh hơn nếu không có biện

pháp gia cố bằng sườn

Phân lớp tiết diện tuỳ vào độ mảnh của các bộ phận thuộc tiết diện(dẻo, đặc, nửa đặc, mảnh), vì vậy cho phép sử dụng nhiều loại tiết diện, thậm chí là thanh có thể rất mảnh

Việc kiểm tra ổn định tổng thể

dầm chỉ như phần kiểm tra

thêm sau khi tính toán về

cường độ, mọi bảng tra đều ở

phụ lục nên sẽ được xem là

không quan trọng và đôi khi

bỏ qua không làm

Trình bày phần oằn ngang ngang hàng mục chịu uốn, vì vậy mọi cấu kiện chịu uốn mà không được kiềm chế ngang đều toàn bộ phải kiểm tra về oằn

vị trí tâm trượt

6

Không xét ảnh hưởng của các

liên kết tại hai đầu dầm, mức

độ cụ thể chống vênh của

cánh nén ra ngoài mặt phẳng

dầm

Xét đến ảnh hưởng của các liên kết tại hai đầu dầm, mức

độ cụ thể chống vênh của cánh nén ra ngoài mặt phẳng dầm thông qua lần lượt hai hệ số

kz, kw

7 Không xét đến ảnh hưởng của

dạng oằn đến momen tới hạn

Mb,Rd

Xét đến ảnh hưởng của dạng oằn (thông qua hệ số αLT) đến momen tới hạn Mb,Rd

Bảng 3.1a.Tổng hợp mô men tới hạn của dầm chịu mô men

Bảng 3.1b Tổng hợp mô men tới hạn của dầm chịu lực phân bố, tập

trung

Sơ đồ tải trọng Vị trí tải trọng M cr (N.mm)

Trọng tâm 1.173.029.084 Cánh trên 827.183.346 Cánh dưới 1.729.103.729 Trọng tâm 3.583.998.658 Cánh trên 1.817.457.291 Cánh dưới 6.120.368.387 Trọng tâm 2.374.533.521 Cánh trên 1.722.814.315 Cánh dưới 3.296.948.769 Trọng tâm 14.017.172.483 Cánh trên 11.267.848.449 Cánh dưới 17.619.774.943 Trọng tâm 1.401.128.196 Cánh trên 1.045.945.676 Cánh dưới 1.922.863.436 Trọng tâm 6.455.577.650 Cánh trên 4.824.741.266 Cánh dưới 8.636.310.273

* Nhận xét:

- Qua bảng 3.1a ta thấy: mô men tới hạn nhỏ nhất của dầm khi hai đầu dầm là khớp chịu mô men trái chiều; mô men tới hạn lớn nhất khi hai đầu dầm là ngàm chịu mô men cùng chiều (một đầu dầm chịu

mô men M, đầu kia chịu mô men M/2);

- Khi dầm chịu lực tập chung hoặc phân bố: đặt tải trọng tại cánh dưới sẽ có tác dụng nhất, mô men tới hạn là lớn nhất; nhỏ nhất khi lực đặt tại cánh trên của dầm;

- Liên kết hai đầu dầm là ngàm cho kết quả chịu mô men tốt hơn hai đầu ngàm (do có ảnh hưởng của mô men xoắn kiềm chế của dầm)

3.1.2 Xác định mô men ổn định tổng thể của dầm theo Eurocode 3

Bảng 3.2a Tổng hợp mô men giới hạn theo điều kiện ổn định tổng

thể của dầm chịu tác dụng của mô ment

Sơ đồ tải trọng M sd,max (N.mm)

Bảng 3.2b Tổng hợp mô men giới hạn theo điều kiện ổn định tổng

thể của dầm chịu tác dụng của tải trọng

Sơ đồ tải trọng

Vị trí tải trọng

M sd,max (N.mm)

q, Q (N/mm, N)

Trọng tâm 652.667.092

23,21

Cánh trên 512.400.131

18,22

Cánh dưới 816.252.160

29,02

Trọng tâm 1.297.885.090

69,22

Cánh trên 946.716.105

50,49

Cánh dưới 1.504.749.595

80,25

Trọng tâm 941.724.810

502.253

Cánh trên 814.741.263

434.529

Cánh dưới 1.054.043.432

562.156

Trọng tâm 1.712.329.483

913.242

Cánh trên 1.667.689.534

889.434

Cánh dưới 1.753.346.367

Trọng tâm 727.757.453

194.069

Cánh trên 605.122.363

161.366

Cánh dưới 859.720.778

229.259

Trọng tâm 1.521.721.147

541.056

Cánh trên 1.421.330.721

505.362

Cánh dưới 1.604.510.157

570.493

* Nhận xét:

- Qua bảng 3.2a ta thấy: khi dầm chịu tác động của mô men, trường hợp bất lợi nhất khi dầm đầu khớp chịu mô men trái chiều; hiệu quả nhất khi dầm hai đầu ngàm chịu mô men M và M/2 cùng chiều;

- Khi tính toán ổn định tổng thể, bất lợi nhất khi đặt tải trọng tại cánh trên, và ổn định nhất khi tải trọng đặt tại cánh dưới;

- Khả năng của dầm chịu mô men tới hạn trong các trường hợp khác nhau rất lớn, nhưng khi xét đến điều kiện ổn định tổng thể lại không khác nhau nhiều

3.2 VÍ DỤ 2

Tính momen tới hạn tương ứng trạng thái mất ổn định tổng thể của dầm đơn giản nhịp L=6m như hình vẽ theo TCVN 5575:2012 và Eurocode 3, chịu tải trọng tập trung đặt ở giữa nhịp dầm Dầm làm từ thép tổ hợp hàn I có các kích thước như sau: bản cánh dầm có

bxt=120x10mm; bản bụng dầm có h xt =220x6,0mm Thép mác

CCT38, có cường độ tính toán f=2300 daN/cm2, giới hạn chảy

fy=2400daN/cm2 Bỏ qua trọng lượng bản thân của dầm, biết:

Môdun đàn hồi về uốn E=2,1.106 daN/cm2; Hệ số Poát xông υ=0,3;

Khảo sát giá trị momen tới hạn tương ứng trạng thái mất ổn định tổng thể trong các trường hợp sau:

+ Giá trị tf thay đổi

+ Giá trị tw thay đổi

+ Giá trị hw thay đổi

+ Giá trị L thay đổi

3.2.1 Theo tiêu chuẩn TCVN5575:2012

Dầm chữ I, chịu uốn trong mặt phẳng bản bụng được kiểm tra ổn định tổng thể theo công thức:

c c b

f W

3.2.2 Theo tiêu chuẩn Eurocode 3

4,288.10.1,2

98,11.807692

6004

,288

4,3708600

4,288.10.1,2.363,

2 2

6 2

M

f W

Xác định momen độ bền chống lại sự oằn bên theo công thức:

Mb,rd= 0,452.309.2400.0,95 = 318443 daN.cm

3.2.3 Khảo sát giá trị momen tới hạn tương ứng trạng thái

mất ổn định tổng thể trong trường hợp giá trị t f , tw, hw, L thay

đổi

Kết quả tính toán khảo sát tiết diện được thể hiện trong các bảng dưới đây

Bảng 3.3 Bảng giá trị momen tới hạn tương ứng trạng thái mất ổn

định tổng thể trong trường hợp giá trị tf thay đổi

(mm)

Momen tới hạn tương ứng trạng thái mất ổn

định tổng thể (daN.cm) Theo TCVN 5575:2012 Theo Eurocode 3

Hình 3.2 Sự biến thiên giá trị momen tới hạn tương ứng trạng thái mất ổn định tổng thể trong trường hợp giá trị tf thay đổi

Bảng 3.4 Bảng giá trị momen tới hạn tương ứng trạng thái mất ổn

định tổng thể trong trường hợp giá trị tw thay đổi

(mm)

Momen tới hạn tương ứng trạng thái mất ổn định tổng

thể (daN.cm) Theo TCVN 5575:2012 Theo Eurocode 3

Bảng 3.5 Bảng giá trị momen tới hạn tương ứng trạng thái mất ổn

định tổng thể trong trường hợp giá trị hw thay đổi

(mm)

Momen tới hạn tương ứng trạng thái mất ổn định

tổng thể (daN.cm) Theo TCVN 5575:2012 Theo Eurocode 3

định tổng thể trong trường hợp giá trị L thay đổi

L

(mm)

Momen tới hạn tương ứng trạng thái mất ổn định tổng thể

(daN.cm) Theo TCVN 5575:2012 Theo Eurocode 3

0 100000

KẾT LUẬN

1 Kết quả nghiên cứu của luận văn

Luận văn đã nghiên cứu được một số vấn đề như sau:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán cơ bản ổn định tổng thể dầm thép, xác định các phương trình cơ bản của bài toán mất ổn định tổng thể; từ đó tính toán momen tới hạn của dầm trong các trường hợp khác nhau

- Nghiên cứu tính toán ổn định tổng thể của dầm thép có kể đến điều kiện biên và phân phối nội lực theo tiêu chuẩn Eurocode 3

- Nghiên cứu cách tính toán ổn định tổng thể của dầm thép theo TCVN 5575:2012 và Eurocode 3 Theo ví dụ kết quả tính toán Mcr =

2 Kiến nghị và hướng phát triển:

Dựa trên các kết quả nghiên cứu và tính toán trong nội dung luận văn, tác giả xin được kiến nghị một số hướng phát triển của đề tài mà trong khuôn khổ của luận văn này chưa có điều kiện để thực hiện:

- Lập chương trình tự động hóa kiểm tra ổn định tổng thể dầm thép theo Eurocode 3 và TCVN 5575:2012

- Nghiên cứu phát triển lý thuyết hoặc tiến hành thực nghiệm

để xây dựng công thức xác định một số hệ số điều chỉnh theo hai tiêu chuẩn

- Nghiên cứu tính toán ổn định cục bộ của dầm theo hai tiêu chuẩn

- Cần giải quyết bài toán triệt để bài toán so sánh dầm theo hai tiêu chuẩn về khả năng chịu lực, ổn định cục bộ, ổn định tổng thể, công nghệ và chi phí chế tạo hay giá thành cho một đơn vị sản phẩm