Nghiên cứu tính toán ổn định của cấu kiện thép thành mỏng tạo hình nguội chịu uốn theo tiêu chuẩn châu âu (tt)

TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA CẤU KIỆN THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI.. CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN Ac diện tích tiết diện nguyên của một vùng chịu nén Ae,eff diện tích hữu hiệu do mất ổn đị

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI _

LÊ TRỌNG LONG KHÓA 2012-2014

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA CẤU KIỆN THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI CHỊU UỐN

THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG DD&CN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS PHẠM MINH HÀ

Hà Nội – 2014

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ tình cảm biết ơn chân thành tới tất cả các giảng viên trong Khoa Đào tạo sau đại học – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội vì những giúp đỡ và chỉ dẫn hữu ích trong quá trình học tập cũng như khi làm luận văn

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Bộ môn Kết cấu Thép Gỗ - Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã có những ý kiến đóng góp quý báu cho luận văn Đặc biệt, tôi xin cảm ơn PGS.TS Phạm Minh Hà đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn và đưa ra nhiều ý kiến quý báu, cũng như tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu và động viên tôi trong quá trính hoàn thành luận văn

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

Tác giả

Lê Trọng Long

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Lê Trọng Long

MỤC LỤC

CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN i

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU iv

MỞ ĐẦU 1

Lý do chọn đề tài 1

Mục đích nghiên cứu: 1

Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu: 1

Phương pháp nghiên cứu 1

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

Cấu trúc luận văn 2

NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI 3

1.1 Giới thiệu về kết cấu thành mỏng tạo hình nguội 3

1.1.1 Sơ lược về quá trình phát triển 3

1.1.2 Ưu – nhược điểm của kết cấu thành mỏng 4

1.1.3 Phạm vi ứng dụng: 5

1.1.4 Vật liệu chế tạo thép thành mỏng tạo hình nguội 12

1.1.5 Công nghệ chế tạo thép thành mỏng tạo hình nguôi 14

1.1.6 Vấn đề phòng gỉ 17

1.2 Các quy phạm thiết kế kết cấu thành mỏng tạo hình nguội 20

1.2.1 Quy phạm của Mỹ (AISI) 20

1.2.2 Quy phạm của Anh và Châu Âu (BS/Eurocode) 20

1.2.3 Quy phạm của Úc 21

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CỦA CẤU KIỆN THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI 23

2.1 Ổn định trong cấu kiện thép thành mỏng tạo hình nguội: 23

2.1.2 Mất ổn định tổng thể 24

2.1.3 Mất ổn định cục bộ 24

2.1.4 Mất ổn định méo 25

2.2 Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn Châu Âu 25

2.3 Sự làm việc của cấu kiện chịu uốn 26

2.4 Xác định đặc trưng hình học 26

2.5 Các điều kiện tính toán 28

2.5.1 Ảnh hưởng của góc uốn trong tiết diện ngang 28

2.5.2 Sơ đồ tính toán và tương quan hình học trong tiết diện ngang 31

2.6 Bề rộng hữu hiệu của phần tử: 33

2.6.1 Đối với phần tử không có sườn tăng cứng: 33

2.6.2 Đối với phần tử được tăng cứng ở biên và tăng cứng trung gian:[10] 35

2.7 Tính ổn định cho cấu kiện chịu uốn 45

2.7.1 Tính ổn định oằn tổng thể ( ổn định oằn ngang-xoắn) 45

2.7.2 Tính ổn định oằn cục bộ 46

2.7.3 Tính ổn định oằn méo 48

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN 51

3.1 Ví dụ 1 51

3.1.2 Các kích thước hình học: 52

3.1.3 Đặc trưng mặt cắt ngang 52

3.1.4 Xác định tiết diện ngang hữu hiệu và ứng suất tới hạn gây mất ổn định méo 53

3.1.5 Kiểm tra ổn định tổng thể (ổn định ngang-xoắn) 62

3.1.6 Kiểm tra ổn định cục bộ 63

3.1.7 Kiểm tra ổn định méo 64

3.2 Ví dụ 2 64

3.2.2 Các kích thước hình học 64

3.2.3 Xác định tiết diện hiệu quả và ứng suất tới hạn gây mất ổn định vênh một phần tiết diện 66

3.2.4 Tính toán kiểm tra về ổn định tổng thể 74

3.2.5 Tính toán kiểm tra ổn định cục bộ 75

3.2.6 Tính toán kiểm tra về ổn định méo 75

3.3 Ví dụ 3 76

3.3.1 Các kích thước hình học 76

3.3.2 Bề rộng hữu hiệu của cánh nén 78

3.3.3 Bề rộng hữu hiệu của bản bụng 79

3.3.4 Tính toán kiểm tra ổn định tổng thể 80

3.3.5 Tính toán kiểm tra ổn định cục bộ 81

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 82

1 Kết luận 82

2 Kiến Nghị 82

3 Hướng phát triền đề tài 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC A 86

CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN

Ac diện tích tiết diện nguyên của một vùng chịu nén

Ae,eff diện tích hữu hiệu do mất ổn định của tấm

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

As,red diện tích tiết diện hữu hiệu suy giảm của sườn do uốn

ad giá trị thiết kế của đặc trưng hình học

b bề rộng của tấm được hoặc không được tăng cứng

be các phần 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 cánh

ceff chiều rộng hữu hiệu của sườn

deff chiều rộng hữu hiệu của mép gấp sườn

E môđun đàn hồi của thép

fya cường độ chảy trung bình

fyb 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

k hệ số phụ thuộc phương pháp tạo hình

kσ hệ số mất ổn định

Rd giá trị thiết kế của độ bền

Rk giá trị đặc trưng của độ bền

r bán kính góc uốn trong

t chiều dày lõi thiết kế của vật liệu trước khi tạo hình, không kể

lớp phủ hữu cơ

tnom chiều dày danh định của thép sau khi tạo hình

tcor chiều dày lõi dùng cho thiết kế

tmetallic coatings chiều dày lớp phủ kim loại

u tải trọng đơn vị

Wel mômen kháng uốn đàn hồi

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

Weff,y mômen kháng uốn quanh trục y của mặt cắt hữu hiệu

Wy mômen kháng uốn nguyên theo trục y

α hệ số không hoàn thiện

αlt hệ số không hoàn chỉnh về ổn định ngang-xoắn

γM hệ số từng phần cho một đặc tính của vật liệu

λel độ mảnh của phần tử

λlt độ mảnh tương đối về ổn định ngang-xoắn

λd độ mảnh tương đối do méo

λp độ mảnh không thứ nguyên của phần tử mất ổn định ngoải mặt

phẳng

ψ tỷ lệ ứng suất

Φlt giá trị để xác định hệ số suy giảm

σcom,Ed ứng suất nén thiết kế

σcr ứng suất tới hạn về ổn định đàn hồi

σcr,s ứng suất tới hạn đàn hồi của sườn

σmax,Ed ứng suất tới hạn thiết kế lớn nhất

σ1, σ2 ứng suất ở hai đầu phần tử

χd hệ số suy giảm do méo

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU

Trang Hình 1.1 Một số dạng tiết diện thép thành mỏng tạo hình nguội 4

Hình 1.3 Đài thiên văn ở sa mạc Atacama ,Chile 7 Hình 1.4 Tòa nhà ở Settle, Washington, America 7 Hình 1.5 Kết cấu mái cong (Dây chuyền sản xuất Niroth ở 8

Ta Ngov Village, Phnom Penh, Campodia)

Hình 1.6 Kết cấu nhà xưởng (Nhà xưởng công ty PT Some 8

ở Batam, Indonesia)

Hình 1.7 Hệ dàn của sân vận động ở Downtown Detroit, United States 9

Hình 1.9 Khung nhà kho công ty sản xuất phân đạm Ba Con Cò 10

Hình 2.1 Các dạng mất ổn định và quan hệ giữa ứng suất 24

và chiều dài nửa bước sóng

Hình 2.2 Kích thước danh định tính đặc trưng hình học 28

Hình 2.8 Các sườn tăng cứng trung gian 42 Hình 2.9 Khả năng chịu nén của một cánh có sườn trung gian 43 Hình 3.1 Sơ đồ tính và kích thước tiết diện dầm 51 Hình 3.2 Sơ đồ tính toán và kích thước tiết diện dầm 64 Hình 3.3 Sơ đồ tính và kích thước tiết diện phần cánh 66

Hình 3.6 Sơ đồ tính và kích thước tiết diện dầm 75 Bảng 2.1 Công thức tính đặc trưng hình học của 27 phần tử đường trung bình

Bảng 2.2 Bảng tỉ lệ bề rộng trên bề dày cho phép 32 Bảng 2.3 Sơ đồ tính cho phần tử của tiết diện ngang 33

và nhỏ như nhà xưởng, nhà kho, nhà xe, gara…

Do những ưu việt về trọng lượng nhẹ, tính công nghệ và khả năng chịu lực cao, kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội đang trở thành một phương hướng phát triển mới trong công trình kết cấu thép ở Việt Nam Tuy nhiên đối với các cấu kiện thép thành mỏng tạo hình nguội thì việc mất ổn định trong quá trình chịu lực là vấn đề cần được ưu tiên giải quyết trên hết, vì thế việc đưa ra vấn đề nghiên cứu tính ổn định của cấu kiện thép thành mỏng tạo hình nguội là cần thiết

Luận văn này tập trung nghiên cứu vấn đề tính toán ổn định tổng thể và

ổn định cục bộ của cấu kiện thép thành mỏng tạo hình nguội theo tiêu chuẩn châu âu Eurocode 3

Mục đích nghiên cứu:

Nghiên cứu lý thuyết tính toán ổn định của cấu kiện thép thành mỏng tạo hình nguội chịu uốn theo tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 3

Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu:

Cấu kiện thép thành mỏng tạo hình nguội

Ổn định của cấu kiện thép thành mỏng tạo hình nguội chịu uốn theo tiêu chuẩn châu âu Eurocode 3

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết theo tiêu chuẩn nước ngoài

Thực hiện các ví dụ tính toán kiểm chứng

2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu tính toán loại kết cấu chưa được đề cập đến trong tiêu chuẩn Việt Nam

Làm tài liệu tham khảo cho người thiết kế

Cấu trúc luận văn

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Mục đích nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

NỘI DUNG

Chương 1.Tổng quan về kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội

Chương 2.Tính toán ổn định của cấu kiện thép thành mỏng tạo hình nguội chịu uốn theo tiêu chuẩn châu Âu

Chương 3 Ví dụ tính toán

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

THÔNG BÁO

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

Email: digilib.hau@gmail.com

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

- Mặc dù được áp dụng phổ biến trên thế giới nhưng ở Việt Nam kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội chỉ được sử dụng ở Việt Nam thới gian gần đây Loại kết cấu này có thể sử dụng làm kết cấu chịu lực trong các công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp và hoàn toàn phù hợp với điều kiện Việt Nam

- So với kết cấu thép cán nóng thông thường, kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội có nhiều điểm khác biệt về vật liệu, cách chế tạo, lý thuyết tính toán, sự làm việc khi chịu tải trọng…

- Với cấu kiện chịu uốn thông thường việc tính toán kiểm tra ổn định theo Tiêu chuẩn Châu Âu (EN 1993-1-3) khá giống với việc tính toán theo Tiêu chuẩn Úc (AS/NZS 4600:2005) trong chương trình học Tuy nhiên cũng

có một số điểm khác biệt như: tính toán đặc trưng hình học, tính toán về ổn định, độ cứng…

- Đối với dầm thép tạo hình nguội, ngoài điều kiện ổn định tổng thể cần phải tính toán các điều kiện về ổn định cục bộ và ổn định méo

- Ổn định méo là một dạng ổn định khá phức tạp và hiện nay có chưa nhiều lắm các nghiên cứu cụ thể về dạng ổn định này trong các Tiêu chuẩn nên việc tính toán bằng tay là khá phực tạp

2 Kiến Nghị

- Kết cấu thép nguội nhờ ưu điểm nổi bật như trọng lượng nhẹ, tính công nghiệp hóa cao, thuận tiện trong việc vận chuyển, cẩu lắp, thi công… nên cần được đầu tư nghiên cứu để có thể triển khai áp dụng rộng rãi trong thực tế xây dựng ở Việt Nam

- Việc tính toán thiết kế là khá phức tạp nên cần có các phần mềm phù hợp để thuận tiên trong việc tính toán cấu kiện thép thành mỏng tạo hình nguội

3 Hướng phát triền đề tài

- Nghiên cứu cụ thể cách tính toán khả năng ổn định của cấu kiện chịu nén, nén uốn, khả năng chịu cắt và cắt uốn kết hợp…

- Nghiên cứu, so sánh và xây dựng nguyên tắc tính toán theo các tiêu chuẩn khác

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ của kết cấu thép tạo hình nguội, chẳng hạn sự ăn mòn kết cấu trong điều kiện khí hậu Việt Nam

84

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Vũ Quang Duẩn (2007), Nghiên cứu trạng thái chịu uốn của dầm thép tạo

hình nguội, Hà Nội

2 Phạm Minh Hà (2009), Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội

theo quy phạm Mỹ AISI, Hà Nội

3 Đoàn Định Kiến (2005), Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội,

Nxb Xây dựng, Hà Nội

4 Huỳnh Minh Sơn (2006), Kiểm tra ổn định do xoắn và uốn xoắn của cột

thép tiết diện thành mỏng tạo hình nguội theo tiêu chuẩn AS/NZS4600:1996,

Tạp chí KH& CN Đại học Đà Nẵng, Đà Nẵng

5 AISI Manual (2002), Cold-form steel design

6 Andre (2010), Local and Distortional Buckling of Cold-Formed Steel

9 Chen Wai-Fah (1999), Structural Engineering Handbook

10 EN 1993-1-1 (2006), General rules and rules for building

11 EN 1993-1-3 (2006), General rules, Supplementary rules for cold-formed

members and sheeting

12 EN 1993-1-5 (2006), General rules, Plated structural elements

13 G.J.Hancock (2001), Cold-form steel Structures to AISI Specification

14 J Outinen Seminar on steel structures: Design of cold-formed steel structures, 2000

15 K.F.Chung, Building application of Cold-formed steel shapes

16 Michael R BamBack, Thin-walled Section with Unstiffener Elements

85

under Stress Gradients

17 S.Adany, B Schafer (2004), Buckling mode classification of member with

open thin-walled cross-section

18 S Adany, B Schafer (2003), Some Features of the European Norm for

Cold-Formed Steel Design in comparison with the AISI Specification

19 S Adany (2002), Calculation of the moment resistance of Z and C

shape-cold-formed section according to EC3

20 Wei-Wen yu (2000), Cold-formed Steel Design, 3 rd Edition

86

PHỤ LỤC A

Bảng A.1 Giá trị danh định của cường độ chảy cơ bản f yb và cường đô kéo

cực hạn theo Tiêu chuẩn EN 1993

fyb (N/mm2)

fu (N/mm2) Thép kết cấu cán nóng

lượng cán nguội

CR250 CR320

mã kẽm nhúng nóng

liên tục

S250GD+Z S280GD+Z S320GD+Z S350GD+Z

87

cường độ chảy cao cán

nóng dùng cho tạo hình

nguội Phần 2: Điều

kiện chuyển giao kỹ

thuật cho thép cơ nhiệt

hợp kim, cường độ chảy

cao, cán nguội dùng cho

tạo hình nguội

H280LA H320LA H360LA H400LA

chảy cao hơn, mạ

nhúng nóng liên tục

dùng cho tạo hình nguội

H300LAD H340LAD H380LAD H420LAD

kẽm (ZA) nhúng nóng

liên tục

S250GD+ZA S280GD+ZA S320GD+ZA S350GD+ZA

nhôm (AZ) nhúng nóng

liên tục

S250GD+ZA S280GD+ZA S320GD+ZA S350GD+ZA