Nghiên cứu tính toán ổn định tổng thể của dầm thép (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI NGUYỄN NHƯ PHONG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM THÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH D

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGUYỄN NHƯ PHONG

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ

CỦA DẦM THÉP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

HÀ NỘI – 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

NGUYỄN NHƯ PHONG KHÓA: 2013-2015

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ

nhiều ý kiến quý báu, cũng như tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu

và động viên tác giả trong quá trình hoàn thành luận văn

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các bạn đồng nghiệp, gia đình đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan Luận văn Thạc sỹ là công trình nghiên cứu độc lập của tôi Số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận văn có nguồn gốc rõ ràng

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ac Diện tích tiết diện nguyên của một vùng chịu nén

Aeff Diện tích tiết diện hữu hiệu

Ag Diện tích tiết diện nguyên

Ag,i Diện tích tiết diện nguyên của phần tử thứ i

As Diện tích tiết diện hữu hiệu của sườn

b Bề rộng của tấm được hoặc không được tăng cường

be Các phần tử của chiều rộng hữu hiệu

beff Chiều rộng hữu hiệu

bp Chiều rộng của bản cánh tính từ tim các góc uốn

bp,c Chiều rộng của sườn tính từ tim các góc uốn

bp,d Chiều rộng của mép sườn tính từ tim các góc uốn

c Chiều rộng phẳng của bản cánh

ceff Chiều rộng hữu hiệu của sườn

deff Chiều rộng hữu hiệu của mép gấp sườn

E Môđun đàn hồi của thép

fu Cường độ bền

fy Cường độ chảy

fya Cường độ chảy trung bình

fya Cường độ chảy cơ bản

G Môđun đàn hồi trượt

H Chiều cao tiết diện

Is Mômen quán tính hữu hiệu của sườn

K Độ cứng đàn hồi trên một đơn vị dài

kσ Hệ số mất ổn định

n Số lượng góc uốn 900

Rd Giá trị thiết kế của độ bền

Rk Giá trị đặc trưng của độ bền

r Bán kính uốn phái trong

t Chiều dày bản thép thiết kế trước khi tạo hình

Wel, Wx Mômen kháng uốn đàn hồi đối với trục x

Weff Mômen kháng uốn hữu hiệu đàn hồi của mặt cắt ngang

Wy Mômen kháng uốn nguyên theo trục y

α Hệ số không hoàn thiện

αlt Hệ số không hoàn chỉnh về ổn định oằn uốn xoắn

λel Độ mảnh đàn hồi của phần tử

λlt Độ mảnh tương đối về ổn định oằn uốn xoắn

ψ Tỷ lệ ứng xuất

Φlt Giá trị để xác định hệ số suy giảm

σcr Ứng suất tới hạn về ổn định đàn hồi

σcr,s Ứng suất tới hạn đàn hồi của sườn

f1, f2 Ứng suất ở hai đầu phần tử

χ Hệ số suy giảm do méo

φb Hệ số giảm khả năng chịu uốn

Mcr Mômen đàn hồi tới hạn

3.1 Thông số tiết diện tính toán dầm hình I60

3.2 Thông số tiết diện tính toán dầm tổ hợp

1.5 Hệ dầm thép trong nhà công nghiệp

1.6 Hệ dầm thép trong nhà công nghiệp

1.7 Hệ dầm thép trong kết cấu cầu

1.8 Hệ dầm thép trong kết cấu cầu

1.9 Tiết diện dầm hình

2.2 Sự oằn bên uốn xoắn

2.3 Mô hình khung chữ U ngược

3.1 Kích thước tiết diện dầm hình

3.2 Sơ đồ chất tải

3.3 Kích thước tiết diện dầm tổ hợp

3.4 Sơ đồ chất tải

3.5 Sơ đồ tính và kích thước tiết diện dầm

3.6 Sơ đồ tính và kích thước tiết diện phần cánh

3.7 Tiết diện hiệu quả phần biên

3.8 Tiết diện hiệu quả của phần biên

3.9 Sơ đồ chất tải

3.10 Sơ đồ tính toán

3.11 Sơ đồ chất tải

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Hiện nay kết cấu thép và dầm thép được sử dụng phổ biến trong kết cấu nhà cao tầng, nhà nhịp lớn, kết cấu cầu do có nhiều ưu điểm về chịu lực, sử dụng và giá thành Khi thiết kế công trình nói chung cũng như kết cấu thép nói riêng nếu chỉ kiểm tra điều kiện bền và cứng không thôi thì chưa đủ để phán đoán khả năng làm việc của công trình Trong nhiều trường hợp, đặc biệt đối với các công trình chịu tải trọng lớn, nhịp lớn tuy tải trọng chưa đạt đến giá trị phá hoại, đôi khi còn nhỏ hơn giá trị cho phép về điều kiện bền, điều kiện cứng nhưng công trình vẫn có thể bị mất khả năng bảo toàn trạng thái cân bằng ban đầu, chuyển sang trạng thái cân bằng khác Hệ cân bằng mới này sẽ gây ra những ứng suất phụ và làm cho công trình bị phá hoại, đó là hiện tượng công trình bị mất ổn định Đặc biệt là đối với kết cấu thép, do có khả năng chịu lực lớn, tiết diện kết cấu thường thanh mảnh, vì vậy rất dễ bị mất ổn định làm cho toàn công trình

và hệ kết cấu bị phá hoại Với lý do đó, đề tài nghiên cứu về ổn định tổng thể của dầm thép nói chung, đặc biệt là đối với dầm liên hợp, dầm thành

mỏng mà trong quy phạm Việt Nam còn chưa được đề cập tới

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu sự mất ổn định tổng thể của dầm thép nói chung Các biện pháp để tăng cường khả năng ổn định tổng thể của dầm thép với sơ

đồ dầm đơn giản, dầm liên tục

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu về ổn định tổng thể của dầm thép định hình, dầm thép

tổ hợp, dầm thép thành mỏng, dầm liên hợp thép-bêtông

Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu

Vật liệu làm việc trong trạng thái đàn hồi, dầm trong nhà cao tầng, dầm trong nhà nhịp lớn, dầm tiết diện chứ I

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu các lý thuyết tính toán, dùng ví dụ tính toán để khảo sát, rút ra các kết luận

Cơ sở khoa học

Tiêu chuẩn thiết kế thép:TCVN338 - 2005

Tiêu chuẩn Châu âu Eurocode 3,4

Tiêu chuẩn Austrialian/ New Zeland: standard 4600:2005

Trong đó: f=1,8 cm là độ võng dầm (số liệu lấy ra từ chương trình tính nội lực SAP 2000)



Bản cánh dầm đảm bảo ổn định

Tại các vị trí khác, dầm đảm bảo ổn định tổng thể do cánh chịu nén của dầm được cố kết bởi bản sàn bêtông

3.3 Tính toán ổn định tổng thể dầm thành mỏng

Số liệu tính toán:

Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm thành mỏng tạo hình nguội, dầm liên tục 2 nhịp L=10m, phía trên đỡ bản sàn bêtông cốt thép có chiều dày 15cm Dầm tiết diện chữ I tổ hợp được ghép từ 2 thép máng như hình 3.4, chịu tải trọng phân bố đều p=2 kN/m Khoảng cách 2 dầm a=4m Thép kết cấu S355N có giới hạn chảy 355 N/mm2, bề rộng cánh b=35cm, Chiều cao dầm h=60cm, bề dày bản cánh t=0.3cm, 2 thép máng liên kết bằng đường hàn tạo nên dầm chữ I, r=0.5cm, E=2.104kN/cm2,

G=8.103 kN/cm2 Dầm được giằng giữ bởi dầm phụ nằm tại vị trí 5m trên nhịp dầm

Hình 3.5 Sơ đồ tính và kích thước tiết diện dầm

Vậy ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của góc uốn Nên giả thiết cấu kiện được tạo thành từ các tấm bẻ góc nhọn với nhau và bề rộng được tính là khoảng cách của các điểm giữa của góc

2 4.( ) 2 597 4 (172 48, 5) 3 6228 62, 28

A   h  b c  t       mm  cm Mômen quán tính chính trung tâm đối với trục x:

32,16

x x g

rx  r x r y  32, 66cm

Mômen kháng uốn của tiết diện nguyên:

  Phương án chất tải nguy hiểm:

Hình 3.9 Sơ đồ chất tải

Từ sơ đồ chất tải tính được:

Momen ở gối: M-max= 363,89 kNm

Momen ở nhịp: M1max=263,45 kNm

M2max=151,14 kNm Lực cắt tại điểm gối tựa giữa nhịp Vmax=206,8 kN

+ Xác định tiết diện nguyên hiệu quả và ứng suất tới hạn gây mất ổn định vênh một phần tiết diện

Tiết diện hiệu quả của bản cánh, sườn biên và ứng suất tới hạn gây mất ổn định vênh một phần tiết diện được xác định bằng phương pháp lặp

Bước 1: Giả thiết sơ đồ tính của phần cánh như sau:

Hình 3.6 Sơ đồ tính và kích thước tiết diện phần cánh

2 1

  với giả thiết sườn biên được liên kết cứng K=∞

- Bề rộng hiệu quả của bản cánh

Hệ số độ mảnh của tấm tại ứng suất fy

Hình 3.7 Tiết diện hiệu quả phần biên

Ar, Ir lần lượt là diện tích và mômen quán tính quanh trục a-a của tiết diện hiệu quả của phần biên

,2 2

,2

2 3

3 ,2

,2

( ) (57 48,5) 3 316,5 3, 09( / 2)

12, 22

gây mất ổn định vênh 1 phần tiết diện

Sườn biên được giả thiết như dầm tựa trên nền đàn hồi liên tục đặc trưng bởi độ cứng lò xo K

2 r,

0, 45 35,5

15,86 / 1

y

c r M

- Bề rộng hiệu quả của bản cánh:

752

Hình 3.8 Tiết diện hiệu quả của phần biên

Ar, Ir lần lượt là diện tích và mômen quán tính quanh trục a-a của tiết diện hiệu quả của phần biên

,2 2

,2

2 3

3 ,2

,2

( ) (56 47) 3 371, 4 3, 71 ( / 2)

11, 0 2

Dựa vào tiết diện hiệu quả xác định ở trên, tính toán độ cứng lò xo

K và ứng suất tới hạn c rr, gây mất ổn định vênh 1 phần tiết diện

Sườn biên được giả thiết như dầm tựa trên nền đàn hồi liên tục đặc trưng bởi độ cứng lò xo K

Xác định ứng suất tới hạn quy đổi

, 0

y

c r M

y

c r M

Nhận xét n n1 do đó quá trình lặp dừng lại ở đây

Bước 6: Tính toán lại tiết diện hiệu quả với các bề rộng hiệu quả đã xác định ở vòng lặp và bề dày hiệu quả

Diện tích hiệu quả của tiết diện:

56326

60

+ Kiểm tra oằn uốn xoắn:

- Mômen tới hạn gây mất ổn định của dầm thành mỏng:

 

2 w

8000 1,87 1000

x c

Wx eff y

c

f M

eff eff p eff eff eff

, d , d

35, 5.W 0, 57x1877, 53x 33306 36389

3.4 Tính toán ổn định tổng thể dầm liên hợp thép-bêtông

I Số liệu yêu cầu:

Đề bài: Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm liên hợp 2 nhịp L=10m

Khoảng cách 2 dầm a=4m Dầm có tiết diện như hình 3.4.1, chịu tải trọng phân bố đều q=2kN/m2 Bêtông có cấp độ bền C20/25 Thép thanh ϕ10 khoảng cách 200mm bố trí đều trên gối

8 /

p kN m

- Tải trọng tính toán:

1,35 19, 03 25, 68 / 1,5 8 12 /

Từ sơ đồ chất tải tính được:

Momen ở gối: M-max= 489 kNm

- Chiều rộng tham gia làm việc của bản sàn:

Tại vị trí gối: L0  0, 25 (  L1 L2 )  0, 25 20   5m

Tại vị trí nhịp: L0  0,8 L1  0,8 10   8m

- Sức bền chịu momen âm của dầm liên hợp:

Sức bền dẻo của cốt thép trong bêtông:

2

6, 25 0, 785  4,9cm

4, 9 40

196, 25 1

s

F    kN

Sức bền dẻo của thép hình:

9980 275

2717

1, 0

a y a

- Khả năng chịu momen âm của tiết diện:

2

; d ; d

w42

Pl R aPl R c s

y a

Momen oằn tới hạn tại gối:

2

9880 490 10370

A A A    mm

4 4,181 10

4181159 4000

 

2 2

e p

s e a

Chọn C4=21,7 để tính momen đàn hồi tới hạn:

1 2 2

LT

Vậy dầm không bị mất ổn định tổng thể

t=17,8mm Trọng lượng thép 108kG/m

b R

M

M ed : mômen do tổ hợp tải trọng gây ra

M b,Rd : mômen danh định khi tính ổn định , d Weff y

  

Dầm chữ I tổ hợp được ghép từ 2 thép máng

h=600mm, b=350mm, r=5mm,

t=3mm Trọng lượng thép 48,89kG/m

d , d

c

M M

Dầm thép hình IPE450

h a =450mm, b t =190mm,

t f =14.6mm

Trọng lượng thép 77,56kG/m

0, 4

LT

  Dầm đảm bảo ổn định tổng thể

- Dầm liên hợp thép-bêtông khi tính toán ổn định, do có sự tham gia làm việc của sàn bêtông nên tiết diện dầm thép sẽ nhỏ hơn

- Tính ổn định của dầm thép định hình và dầm tổ hợp khá đơn giản Dầm tổ hợp do có Jy lớn hơn so với dầm định hình, khả năng chịu lực tốt hơn, do vậy cần tiết diện nhỏ hơn so với dầm hình

- Với các loại dầm có sơ đồ kết cấu khác (như conson, lực tập trung, momen tập trung), tiết diện dầm không đối xứng thì cách tính toán tương tự, chỉ khác cần chú ý tới điểm cố kết ở cánh chịu nén của dầm, momen kháng uốn của cánh nén nguy hiểm

- Để tăng cường ổn định tổng thể của dầm ngoài việc tình toán kiểm tra khi dầm đưa vào sử dụng, còn cần chú ý neo giữ tạm trong quá trình thi công

- Với dầm liên tục cần thiết phải kiểm tra ổn định tổng thể ở các vị trí gối tựa, vị trí cánh chịu nén của dầm nếu không có hệ giằng giữ

Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui

lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện

– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

KẾT LUẬN

Tính toán ổn định tổng thể là một trong các nhiệm vụ thiết kế của dầm Thông thường, trong quá trình làm việc cánh trên của dầm nếu được giữ chắc chắn bởi hệ bản sàn hoặc hệ giằng thì chỉ cần kiểm tra tại vị trí gối tựa Tại đây, cánh dưới của dầm chịu nén, dầm có thể mất ổn định oằn xoắn ngang Trong quá trình thi công dầm nếu dầm không được giằng giữ

đầy đủ, nhất thiết phải kiểm tra ổn định tổng thể của dầm

Tính toán ổn định tổng thể của dầm thép định hình và dầm tổ hợp theo tiêu chuẩn Việt Nam khá đơn giản, trong đó hệ số φb phụ thuộc vào vật liệu, cấu tạo dầm, tải trọng tác dụng Trong một số trường hợp với tải trọng xác định có thể lập bảng tra sẵn để tiện dùng

Ổn định tổng thể của dầm thành mỏng, dầm liên hợp thép-bêtông tính toán khá phức tạp Đặc biệt là dầm thành mỏng, phải tính toán tiết diện hiệu quả và đảm bảo ổn định vênh của tiết diện Hiện tại, tại Việt Nam chưa có tiêu chuẩn tính toán ổn định tổng thể của hai loại dầm này

Đối với dầm liên hợp, tiết diện dầm thép vì có sự làm việc kết hợp giữa hai vật liệu bêtông và thép, do vậy ổn định tổng thể sẽ được tăng lên

KIẾN NGHỊ

Nghiên cứu tính toán ổn định tổng thể của các loại dầm thép khi chịu nhiệt độ cao

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Đoàn Định Kiến, Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội,

NXB Xây dựng, 2011

2 Phạm Văn Hội, Kết cấu liên hợp Thép-Bêtông, NXB Khoa học và

kỹ thuật, Hà Nội, 11/2010

3 Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư, Lưu Văn

Tường, Kết cấu thép- cấu kiện cơ bản, NXB Khoa học và kỹ thuật,

Hà Nội, 2013

4 Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5575 : 2012

5 Australian - New Zealand Standard cold formed steels structures

AS/NZS 4600:2005

6 European Standard Eurocode 3: Design of Steel Structure part 1:3

Genneral rules Sumpplemen tary rule for cold formed thin guage members and sheeting 2003

7 European Standard Eurocode 4: Design of composite steel and

concrete structurea Part 1-1: General tules for building

8 Timoshenko Theory of elastic stability McGraw-Hill Book

Company, 2nd Ed.1961 (with J.M.Gere)