Tính toán thiết kế dầm thép khoét lỗ liên tục theo tiêu chuẩn mỹ (luận văn thạc sĩ)

β Chỉ số độ tin cậy Hệ số sức kháng làm giảm độ bền, dung cho phương pháp LRFD Ω Hệ số an toàn tổng thể dung cho phương pháp ASD μ Hệ số ma sát trượt trung bình b Hệ số sức kháng khi

-

NGUYỄN TRỌNG TỪ

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DẦM THÉP KHOÉT LỖ LIÊN TỤC

THEO TIÊU CHUẨN MỸ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRỌNG TỪ KHÓA: 2017 - 2019

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DẦM THÉP KHOÉT LỖ LIÊN TỤC

THEO TIÊU CHUẨN MỸ

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

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS VŨ QUỐC ANH

XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN

Hà Nội - 2019

giúp đỡ trong quá trình học tập cũng như tiến hành làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Kết cấu thép – gỗ

đã có những ý kiến đóng góp quý báu cho bản thảo luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Vũ Quốc Anh – Trường đại học Kiến trúc

Hà Nội, Bộ Xây dựng đã tận tình giúp đỡ, huớng dẫn, cũng như tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu và động viên tôi trong quá trình hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè và anh chị em đồng nghiệp đã

có những đóng góp giúp đỡ để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn đọc

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2019

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Trọng Từ

có nguồn gốc rõ ràng

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Trọng Từ

DANH MỤC KÝ HIỆU

MỞ ĐẦU . 1

Lý do chọn đề tài 1

Mục đích nghiên cứu 2

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

Phương pháp nghiên cứu 2

Cấu trúc luận văn 3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DẦM THÉP KHOÉT LỖ 4

1.1 Lịch sử hình thành 4

1.2 Phương pháp chế tạo 8

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của dầm khoét lỗ 10

1.3.1 Ưu điểm 10

1.3.2 Nhược điểm 11

1.4 Tình hình nghiên cứu về dầm có bản bụng khoét lỗ 14

1.4.1 Trên thế giới 14

1.4.2 Tại Việt Nam 15

CHƯƠNG II CẤU TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DẦM KHOÉT LỖ LIÊN TỤC 17

2.1 Các tiêu chuẩn, phương pháp thiết kế 17

2.1.1 Tiêu chuẩn AISC 17

2.1.2 Phương pháp thiết kế 18

2.1.3 Vật liệu 18

2.2 Quy định về cấu tạo 19

2.3 Ứng xử của dầm có bản bụng khoét lỗ 20

2.4 Các bước tính toán trong thiết kế 22

2.4.3 Tính toán khả năng chịu cắt của dầm 31

2.4.4 Điều kiện độ võng 33

2.5 Xây dựng sơ đồ khối tính toán dầm khoét lỗ theo tiêu chuẩn Mỹ 34

2.6 Phương pháp tính toán dầm khoét lỗ theo tiêu chuẩn Việt Nam 36

2.7 Đánh giá phương pháp tính theo tiêu chuẩn Mỹ và Việt Nam 39

2.8 Tối ưu thiết kế dầm thép khoét lỗ liên tục theo tiêu chuẩn Mỹ 40

2.8.1 Tổng quan về bài toán tối ưu kết cấu 40

2.8.2 Chương trình tối ưu thiết kế dầm khoét lỗ liên tục theo tiêu chuẩn Mỹ 43

CHƯƠNG III VÍ DỤ TÍNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT SỐ LIỆU 49

3.1 Ví dụ tính toán dầm thép chịu tải trọng nhẹ 49

3.1.1 Ví dụ 3.1 Thiết kế dầm khoét lỗ theo tiêu chuẩn Mỹ 49

3.1.2 Kiểm tính dầm đục lỗ theo tiêu chuẩn Việt Nam từ ví dụ 3.1 68

3.1.3 Tối ưu thiết kế dầm đục lỗ theo tiêu chuẩn Mỹ bằng chương trình “Ram SBEAM” với ví dụ 3.1 76

3.2 Ví dụ tính toán dầm thép chịu tải trọng lớn 81

3.3 Khảo sát một số dầm thép với phương án dầm đặc và dầm rỗng 101

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 103

Kết luận 103

Kiến nghị 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ TỐI ƯU THEO CHƯƠNG TRÌNH “RAM SBEAM”

Hình 1.2 Hệ thống Gara ô tô của Mercedes Benz 5

Hình 1.3 Bãi đỗ xe bệnh viện Good Samaritan, tại Puyallup,

Hình 1.4 Bãi đỗ xe ô tô Jason County, tại Medford, Oregon 6

Hình 1.5 Nhà ga phía bắc – sân bay Gatwick, London 7

Hình 1.6 Một nhà xưởng tại Water Mark, London 7

Hình 1.7 Phương pháp chế tạo dầm khoét lỗ 8

Hình 1.8 Dầm được cắt dọc theo bản bụng rồi hàn lại 9

Hình 1.9 Lợi ích khi tích hợp hệ thống kỹ thuật vào trong chiều cao kết cấu 11

Hình 1.10 Sử dụng dầm thép khoét lỗ làm kết cấu đỡ mái 12

Hình 1.11 Sử dụng dầm liên hợp thép – bê tông có bản bụng khoét lỗ 14

Hình 2.1 Quy định cấu tạo khi chế tạo dầm thép đục lỗ lục

Hình 2.2 Quy định cấu tạo khi chế tạo dầm thép đục lỗ tròn

Hình 2.3 Biểu đồ nội lực trong giàn Vierendeel 20

Hình 2.4 Biểu đồ nội lực trong dầm khi chịu lực tác dụng 24

Hình 2.5 Momen trong dầm do chịu lực tác dụng 27

Hình 2.6 Sơ đồ khối thiết kế dầm thép khoét lỗ liên tục 36

Hình 2.7 Sơ đồ một đoạn dầm có lỗ 37 Hình 2.8 Giao diện nhập nhịp dầm, chọn vật liệu, phương án

Hình 2.9 Giao diện nhập tải trọng cho bài toán 46

Hình 2.10 Giao diện nhập tải trọng tập trung cho bài toán 46

Hình 2.11 Biểu đồ tải trọng tổng hợp của bài toán 47

Hình 2.15 Giao diện trích xuất kết quả tính toán dầm 49

Hình 3.1 Thông số cấu tạo dầm cho ví dụ 3.1 50

DANH MỤC BẢNG, BIỂU

Bảng 2.1 Quy định cấu tạo khi chế tạo dầm thép đục lỗ tròn liên tục theo tiêu chuẩn châu Âu 20

Bảng 2.2 Các công thức để kiểm tra độ bền của tiết diện dầm 37

Bảng 2.3 So sánh phương pháp tính toán dầm thép khoét lỗ liên tục 40

Bảng 3.1 Lực cắt và Mô men do tải trọng gây ra tại các lỗ mở của

Bảng 3.2 Lực dọc trục và Mô men Vierendeel 55

Bảng 3.3 Lực cắt bản bụng tại các tiết diện theo ASD và LRFD 57

β Chỉ số độ tin cậy

Hệ số sức kháng (làm giảm độ bền, dung cho phương pháp LRFD)

Ω Hệ số an toàn tổng thể (dung cho phương pháp ASD)

μ Hệ số ma sát trượt trung bình

b Hệ số sức kháng khi tính toán kết cấu chịu uốn

Ω b Hệ số an toàn khi tính toán chịu uốn

c Hệ số sức kháng khi tính toán kết cấu chịu nén

Ω c Hệ số an toàn tổng thể khi tính toán chịu nén

λ Độ mảnh

λ p Giới hạn độ mảnh của phân tử đặc chắc

λ r Giới hạn độ mảnh của phân tử không đặc chắc

R n Độ bền thiết kế

t Hệ số sức kháng khi tính toán kết cấu chịu kéo

Ω t Hệ số an toàn khi tính toán chịu kéo

v Hệ số sức kháng khi tính toán kết cấu chịu cắt

Ω v Hệ số an toàn khi tính toán chịu cắt

A e Diện tích tiết diện thực hữu hiệu

A g Diện tích tiết diện nguyên

A n Diện tích tiết diện thực

A st Diện tích sườn

A w Diện tích bụng

B 1 Hệ số gia tang để kể đến hiệu ứng bậc 2 gây bởi chuyển vị giữa các

điểm nút giằng P-δ

b f Chiều dày bản cánh của tiết diện

C w Hằng số vênh của tiết diện

F cr Ứng suất tới hạn theo điều kiện ổn định

F e Ứng suất tới hạn Euler

F r Ứng suất dư

F u Ứng suất bền (kéo đứt) tiêu chuẩn

F y Ứng suất chảy tiêu chuẩn, tức là ứng suất chảy nhỏ nhất theo quy định

G Môđun trượt

h Chiều cao bụng của tiết diện

h c Hai lần chiều cao phần bụng bị nén

I Mômen quán tính của tiết diện

J Mômen quán tính xoắn của tiết diện

K Hệ số chiều dài tính toán

L Hoạt tải sàn

L Chiều dài của cấu kiện chịu nén

L b Khoảng cách giữa hai giằng trong cấu kiện chịu uốn

L p Khoảng cách lớn nhất giữa hai giằng để cấu kiện không mất ổn định

tổng thể

L r Khoảng cách lớn nhất giữa hai giằng để cấu kiện mất ổn định

tổng thể trong giai đoạn đàn dẻo

M Mômen

M cr Mômen tới hạn

M u Mômen yêu cầu theo phương pháp LRFD

M a Mômen yêu cầu theo phương pháp ASD

M r Mômen yêu cầu

M p Mômen dẻo

M y Mômen chảy

P Lực nén

S Môđun chống uốn đàn hồi

S xc Môđun chống uốn đàn hồi của tiết diện lấy cho trục x đối với thớ chịu

nén

S xt Môđun chống uốn đàn hồi của tiết diện lấy cho trục x đối với thớ chịu

kéo

t f Bề dày cánh của tiết diện

t w Bề dày bụng của tiết diện

V Lực cắt

W Tải trọng gió

Z Môđun chống uốn dẻo

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Hiện nay, trong quá trình phát triển ngày càng cao của ngành xây dựng cũng như nhu cầu thực tế Các công trình công cộng, nhà xưởng, bãi đỗ xe, nhà ga sân bay, các khu dịch vụ…sử dụng kết cấu thép ngày càng nhiều Sử dụng kết cấu thép trong công trình mang lại hiệu quả cao do vật liệu thép có khả năng chịu lực rất lớn, có trọng lượng nhỏ, khả năng chịu mỏi, chịu tại trọng độc lập tốt Đồng thời kết cấu thép thi công nhanh chóng, chính xác, giúp rút ngắn thời gian xây dựng công trình…

Trong quá trình sử dụng đối với nhà cao tầng hoặc các công trình công nghiệp, các công trình công cộng, nhu cầu về tăng không gian sử dụng và tối ưu hóa chiều cao thông thủy ngày càng cấp thiết Việc này dẫn đến phải tối ưu hóa chiều cao lắp đặt hệ thống kỹ thuật phía trên trần nhà Đối với dạng kết cấu như trên, giải pháp khoét lỗ ở bản bụng dầm thép để cho hệ thống kỹ thuật chạy xuyên qua là một giải pháp khả dĩ và hiệu quả Phương án hữu hiệu được các kiến trúc sư, các kỹ sư kết cấu lựa chọn là sử dụng các dầm thép có lỗ mở trên bụng dầm Đặc biệt với các loại dầm thép khoét lỗ liên tục (dầm khoang tròn hoặc dầm lỗ răng cưa) còn tạo thêm điểm nhấn kiến trúc, phô trương vẻ đẹp của kết cấu, đồng thời giảm trọng lượng cấu kiện

Tuy nhiên, các lỗ mở là nguyên nhân làm giảm khả năng chịu lực cũng như tính ổn định của dầm Việc tính toán về kích thước, vị trí của lỗ cần cân nhắc quan trọng trong thiết kế để đảm bảo khả năng chịu lực cũng như công năng của cấu kiện [1] Ở Việt Nam hiện nay, tài liệu về hướng dẫn quy trình chế tạo, tính toán và sử dụng loại kết cấu khoét lỗ liên tục là chưa nhiều, do đó cần đòi hỏi sự nghiên cứu thêm về lý thuyết tính toán cũng như quy trình chế tạo Vì vậy, việc nghiên cứu “Tính toán thiết kế dầm thép khoét lỗ liên tục theo tiêu chuẩn Mỹ” là cần thiết nhằm cụ thể hóa các vấn đề nêu trên

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Dầm thép có bản bụng được khoét lỗ liên tục

- Sơ đồ dầm đơn giản 2 đầu khớp

Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu, phân tích và tổng hợp về việc sử dụng cũng như nghiên cứu về dầm thép có bản bụng khoét lỗ Cùng với đó, tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo chi tiết và các phương pháp chế tạo các loại dầm có bản bụng khoét lỗ liên tục

Tổng hợp, phân tích và lựa chọn các lý thuyết được đưa ra trong tiêu chuẩn châu Mỹ để sử dụng để tính toán dầm thép có bản bụng khoét lỗ

Dựa vào lý thuyết tính toán đã nêu ở trên, đưa ra phương pháp, các bước tính toán thiết kế dầm thép có bản bụng khoét lỗ theo tiêu chuẩn Mỹ để đảm bảo dầm thép

an toàn trong quá trình thi công cũng như quá trình khai thác sử dụng So sánh với lý

Dựa vào lý thuyết tính toán cũng như phương pháp, các bước tính toán đã nêu, đưa ra các ví dụ tính toán thiết kế dầm có bản bụng rỗng theo tiêu chuẩn Mỹ

Tổng hợp, đánh giá và xây dựng sơ đồ khối công nghệ chế tạo, tính toán sử dụng dầm thép có bản bụng khoét lỗ liên tục

Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, tài liệu tham khảo, luận văn bao gồm

3 chương như sau:

- Chương I: Tổng quan về dầm thép khoét lỗ

- Chương II: Cấu tạo và phương pháp tính toán dầm thép có bản bụng được khoét lỗ liên tục

- Chương III: Ví dụ tính toán, khảo sát

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ DẦM THÉP KHOÉT LỖ

1.1 Lịch sử hình thành

Ý tưởng hình thành dầm có bản bụng khoét lỗ đến từ nhu cầu tích hợp hệ thống đường ống kỹ thuật vào trong hệ kết cấu dầm sàn để tăng chiều cao thông thủy của tầng Ban đầu, một lỗ mở lớn được khoét trên bản bụng của dầm thép với mục đích cho hệ thống đường ống kỹ thuật chạy xuyên qua dầm (Hình 1.1a) Năm 1910, Horton, kỹ sư công ty Chicago Bridge & Iron, lần đầu tiên đề xuất ý tưởng cắt bản bụng dầm sau đó hàn hai nửa dầm với mục đích tăng mô-đun kháng uốn tiết diện dầm Ý tưởng về dầm khoét lỗ lục giác liên tục trên bản bụng được đề xuất sau đó bởi Geoffrey Boyd, một kỹ sư kết cấu thuộc công ty British Structural Steel tại Argentina vào năm 1935 và sau đó được đăng ký bản quyền tại Anh năm 1937 [2]

Dựa trên ý tưởng về dầm khoét lỗ lục giác, dầm khoét lỗ tròn lần đầu tiên được Công ty chế tạo kết cấu thép Westok giới thiệu vào năm 1987 Loại dầm này phát triển mạnh trong 20 năm gần đây Tính đến năm 1997, dầm thép có bản bụng khoét

lỗ tròn đã được áp dụng vào trên 4000 dự án tại 20 quốc gia trên thế giới

Hình 1.2 Hệ thống Gara ô tô của Mercedes Benz

Hình 1.3 Bãi đỗ xe bệnh viện Good Samaritan, tại Puyallup, Wasington

Hình 1.5 Nhà ga phía bắc – sân bay Gatwick, London

Hình 1.6 Một nhà xưởng tại Water Mark, London

1.2 Phương pháp chế tạo

Hình 1.7 Phương pháp chế tạo dầm khoét lỗ

Có 3 phương pháp chính để chế tạo các dầm khoét lỗ như sau:

Các lỗ mở riêng lẻ được cắt trong bản bụng của một cấu kiện thép cán nóng Cấu kiện thép có hình dạng đối xứng Phương pháp này được sử dụng cho các dầm với lỗ mở độc lập

Một cấu kiện được chế tạo từ 3 tấm được hàn lại với nhau để tạo thành một cấu kiện chữ I Cấu kiện có thể không đối xứng (ví dụ, có một đáy lớn hơn) và các dầm có thể được giảm dần tiết diện dọc theo chiều dài cấu kiện Lỗ mở được cắt trước hoặc sau khi tổ hợp xong cấu kiện chữ I Phương pháp này được sử dụng đồng thời cho các lỗ mở độc lập và cho các lỗ mở liên tục có khoảng cách đều nhau

Một cấu kiện cán nóng được cắt thành miếng dọc theo bụng cấu kiện Kết quả tiết diện T được định vị và được hàn lại để thành một loạt các lỗ mở thông thường Trong lịch sử, các dầm đinh tán là đầu tiên của loại này, nhưng xây dựng hiện đại sử

T được cắt từ các cấu kiện I khác nhau Phương pháp này chỉ thích hợp áp dụng cho các lỗ mở có khoảng cách đều đặn

Hình 1.8 Dầm được cắt dọc theo bản bụng rồi hàn lại

1.3 Ưu điểm và nhược điểm của dầm khoét lỗ

1.3.1 Ưu điểm

So với dầm thép truyền thống, dầm khoét lỗ có nhiều ưu điểm vượt trội Đầu tiên, do chiều cao dầm khoét lỗ được tăng lên so với dầm bụng đặc ban đầu, các đặc trưng hình học như mô-men tĩnh, mô-men quán tính cũng như mô-đun kháng uốn của dầm tăng lên đáng kể Điều này cho phép dầm khoét lỗ có khả năng vượt nhịp lớn hơn dầm bụng đặc ban đầu Dầm thép khoét lỗ thường được sử dụng với nhịp trên 10m và đã được chứng minh đặc biệt hiệu quả đối với nhịp trên 12m (Estrada et al, 2010) Khả năng vượt nhịp lớn giúp giảm số lượng cột và móng trong công trình, từ

đó tăng diện tích sử dụng và linh hoạt trong bố trí công năng

Một ưu điểm nữa của dầm khoét lỗ đó là cho phép hệ thống đường ống kỹ thuật chạy xuyên qua bản bụng dầm Thông qua việc tích hợp hệ thống HVAC vào trong chiều cao kết cấu, trần giả có thể bố trí ở ngay mặt dưới của dầm thép qua đó tăng chiều cao thông thủy của tầng nhà

So sánh giữa hai loại dầm khoét lỗ phổ biến là dầm khoét lỗ lục giác và dầm khoét lỗ tròn, các kích thước chính của dầm khoét lỗ tròn như đường kính lỗ, khoảng cách lỗ, chiều cao dầm có thể tùy biến, không bị cố định như lỗ lục giác Bên cạnh

đó, dầm khoét lỗ tròn tránh tập trung ứng suất tại góc Kết quả là dầm khoét lỗ tròn được sử dụng phổ biến hơn so với dầm khoét lỗ lục giác

Hình 1.9 Lợi ích khi tích hợp hệ thống kỹ thuật vào trong chiều cao kết cấu

1.3.2 Nhược điểm

Mặc dù có nhiều ưu điểm vươt trội nhưng dầm khoét lỗ cũng có nhược điểm như giá thành cao hơn so với dầm bụng đặc Việc sản xuất chế tạo dầm khoét lỗ cũng yêu cầu máy móc thiết bị chuyên dụng, đầu tư cơ sở vật chất ban đầu lớn

Nhờ ưu điểm trọng lượng nhẹ, khả năng vượt nhịp lớn nên dầm thép khoét lỗ thường được sử dụng làm kết cấu đỡ mái trong các công trình yêu cầu vượt nhịp lớn như nhà kho, xưởng sản xuất, nhà thi đấu thể thao…

(a) Nhà công nghiệp

(b) Nhà thi đấu thể thao

Dầm khoét lỗ có thể được sử dụng làm kết cấu đỡ bản sàn Loại dầm này thường được sử dụng trong các công trình văn phòng, gara ô tô nhiều tầng

(a) Gara ô tô nhiều tầng

- Viện kết cấu thép Hoa Kỳ (American Institute of Steel Construction – AISC) năm 1990 ban hành tài liệu hướng dẫn thiết kế số 2 Design Guide 02 Steel and Composite Beams with web openings cho dầm thép và liên hợp có lỗ đơn chữ nhật dựa trên nghiên cứu của Darwin và Redwood

non- composite cellular beams cho trường hợp dầm khoét lỗ tròn liên tục trên bản bụng

- SCI P355 - Design of composite beams with large web openings do R.W Lawson biên soạn được SCI ban hành năm 2011 So với tài liệu SCI P068 trước đây, SCI P355 tổng quát hơn khi áp dụng cho cả tiết diện cán nóng cũng như tiết diện tổ hợp hàn, tiết diện dầm có thể là đối xứng hoặc bất đối xứng, bản bụng khoét lỗ chữ nhật hoặc lỗ tròn

- Tài liệu hướng dẫn thiết kế số 31 của Viện kết cấu thép Hoa Kỳ ban hành năm 2016 cũng giới thiệu phương pháp thiết kế cho dầm khoét lỗ tròn và lục giác [9]

Ngày nay, ứng xử của dầm thép có bản bụng khoét lỗ vẫn tiếp tục được nghiên cứu Phương pháp thiết kế dầm thép có bản bụng khoét lỗ được sử dụng trong phạm vi đề tài dựa trên do tài liệu chứa đựng nhiều kết quả nghiên cứu mới nhất cũng như có tính tổng quát hơn khi có thể áp dụng được cho nhiều dạng tiết diện Bên cạnh đó, do nhu cầu giảm giá thành để cạnh trạnh với các loại dầm truyền thống, các nghiên cứu về tối ưu trọng lượng cũng như giá thành của dầm khoét lỗ cũng được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm

- M P Saka giới thiệu phương pháp tối ưu trọng lượng dầm thép khoét lỗ tròn dựa trên thuật toán tìm kiếm hài hòa (Harmony Search – HS) và thuật toán bầy đàn (Particle Swarm – PS)

- A Kaveh và F Shokochi đã tiến hành tối ưu giá thành của dầm thép khoét lỗ lục giác dựa trên thuật toán tìm kiếm hệ thống tính phí (Charged System Search – CSS)

- N D Lagaros trình bày phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu thép khoét lỗ căn

cứ trên thuật toán chiến lược tiến hóa (Evolution Strategies – ES)

1.4.2 Tại Việt Nam

Hiện tại ở Việt Nam Chủ yếu dùng lỗ khoét đều ở bản bụng cho nhà công nghiệp với mục đích tăng chiều cao làm việc, giảm trọng lượng bản thân của kết

cấu khi chịu lực

Cấu kiện có bản bụng khoét rỗng chỉ mới áp dụng cho một số công trình, quy

mô ứng dụng chưa nhiều Đặc biệt với kết cấu nhà cao tầng thì hầu như chưa có

Hiện nay có nhiều tài liệu nói về tính toán độ bền và ổn định kết cấu dầm thép khoét rỗng ở bản bụng, cột thép rỗng dùng bản nối, thanh nối Hầu như ít có tài liệu hướng dẫn thiết kế cho kết cấu thép cấu kiện có bản bụng khoét lỗ đều

Gần đây, đã có các nghiên cứu trong nước về dầm khoét lỗ ở bản bụng, có thể nêu ra một số nghiên cứu điển hình như sau:

- PGS.TS Đoàn Tuyết Ngọc (2011), nghiên cứu “Dầm liên hợp có bản bụng khoét lỗ” được đăng trên tạp chí khoa học Kiến trúc và Xây dựng số 7

- Võ Văn Vinh (2010), nghiên cứu “Sự làm việc của kết cấu khung thép nhẹ cấu kiện có bản bụng khoét lỗ rỗng”, luận văn Thạc sĩ kỹ thuật trường Đại học Kiến trúc Hà nội

- Mai Khánh Dương (2012), nghiên cứu “Đánh giá hiệu quả sử dụng dầm liên hợp thép - bêtông có khoét lỗ ở bản bụng”, luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Học viên kỹ thuật Quân sự

CHƯƠNG II CẤU TẠO VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DẦM KHOÉT

LỖ LIÊN TỤC

2.1 Các tiêu chuẩn, phương pháp thiết kế

2.1.1 Tiêu chuẩn AISC

Kết cấu thép, đặc biệt là kết cấu thép có lỗ khoét dù đã được sử dụng, nghiên cứu từ lâu tuy nhiên tiêu chuẩn thiết kế cho loại kết cấu này gần đây mới được đưa ra:

- Tại Mỹ, hiện tại tiêu chuẩn kết cấu thép AISC 360-10 do AISC ban hành bao hàm cho cả kết cấu dầm có bản bụng khoét lỗ [3], [8]

- Trong thập niên 90 của thế kỷ XX, Ủy ban Tiêu chuẩn châu Âu bắt đầu xây dựng bộ tiêu chuẩn thống nhất chung cho các quốc gia trong khối Bộ tiêu chuẩn chung được gọi là Eurocodes (EC) trong đó EN 1993 viết về thiết kế kết cấu thép và EN 1994 nói về kết cấu thép có lỗ khoét

- Một số nước cũng có tiêu chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật cho kết cấu thép khoét

lỗ như Nga, Nhật Bản, Trung Quốc…

- Ở Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế kể đến kết cấu thép có khoét lỗ Các tài liệu hiện hành cũng chỉ giới thiệu qua về các phương pháp tính toán dựa trên các tiêu chuẩn nước ngoài

Trong phạm vị đề tài, nguyên lý thiết kế, các công thức đều được thiết lập dựa trên tiêu chuẩn tiêu chuẩn kết cấu thép AISC 360-10 và tiêu chuẩn về Thông số kỹ thuật cho kết cấu thép “2016 AISC Specification for Structural Steel Buildings” phiên bản thứ 14 của Mỹ [3], [8]

Ký hiệu và tên đầy đủ của tiêu chuẩn là ANSI / AISC 360-10 – Specification for 4789 (Quy phạm kỹ thuật về nhà kết cấu thép) do Viện kết cấu thép Hoa kỳ (American Institute of Steel Construction, viết tắt là AISC) biên soạn và được sự chấp thuận của viện tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (American National Standard Institute) coi như một tiêu chuẩn quốc gia, có hiệu lực từ tháng 6 năm 2010

2.1.2 Phương pháp thiết kế

Tiêu chuẩn AISC 360-16 [8] trình bày về tính toán kết cấu thép theo cả 2 phương pháp là:

- Thiết kế theo độ bền cho phép (Allowwable Strength Design, ADS)

- Thiết kế theo hệ số tảo trọng và hệ số sức kháng (Load and Resistance Factor Design, LRFD)

Với hai phương pháp này, cách tính toán giống nhau và chỉ khác nhau về hệ

số an toàn Người thiết kế có quyền lựa chọn hai phương pháp ASD hay LRFD Quy phạm này sử dụng đồng thời cả hai hệ đơn vị: hệ Anh - Mỹ và hệ SI (SI là ký hiệu viết tắt từ nguyên gốc tiếng Pháp Système International d ' unites, có nghĩa là

hệ đơn vị đo quốc tế) Hệ đơn vị Anh - Mỹ gồm có inch (đơn vị đo độ dài), pound (đơn vị đo lực) Hệ Sĩ có mm (đơn vị đo độ dài) và N (đơn vị đo lực) Để chỉ ứng suất, Quy phạm dùng ksi (kilopound / square inch) và MPa (Megapascal = 106 MPa

= 106 N / mm2) Phạm vi áp dụng của tiêu chuẩn này là nhà thép và những kết cấu thép mà việc thiết kế và chế tạo, dựng lắp tương tự như nhà

2.1.3 Vật liệu

Vật liệu thép trong phạm vi nghiên cứu của đề tài sử dụng theo tiêu chuẩn ASTM Trong luận văn có nghiên cứu về sản phẩm thép cán, cụ thể là thép hình I loại W Thép W: đây là loại thép cán chữ I cánh rộng (W viết tắt của từ wide flange

có nghĩa là cánh rộng) Đặc điểm của thép này là một trog và thật và gia cánh Song song với nhau (giống thép tổ hợp chữ I), Thép W được ký hiệu bằng chữ W kèm theo con số chỉ chiều cao của tiết diện tính bằng inch và trọng lượng tính theo đơn

vị Pounds/foot Ví dụ ký hiệu W40x199 là để chỉ thép hình chữ I canh rộng có chiều cao tiết diện là 40 in và nặng 199 pounds/foot (qui đổi theo đơn vị thì chiều cao tiết diện là 101,6 cm và nặng 296,5 kg/m) Thép W rất đa dạng để người thiết kế có thể chọn sao cho kinh tế nhất Loại nặng nhất là W44x335, W40x593, W36x652 và

2.2 Quy định về cấu tạo

Khi thiết kế dầm thép khoét lỗ, bên cạnh các điều kiện về chịu lực, đường kính và khoảng cách các lỗ cần thỏa mãn một số điều kiện cấu tạo Tài liệu [9] có đưa ra một số quy định về cấu tạo như sau:

Hình 2.1 Quy định cấu tạo khi chế tạo dầm thép đục lỗ lục giác liên tục

Hình 2.2 Quy định cấu tạo khi chế tạo dầm thép đục lỗ tròn liên tục

Một số tác giả cũng đưa ra các đề xuất về cấu tạo dầm khoét lỗ Bảng dưới đây tổng hợp các điều kiện cấu tạo được đề xuất bởi hai tác giả R.M.Lawson và J Ward (Mang tính chất tham khảo)

Bảng 2.1 Quy định cấu tạo khi chế tạo dầm thép đục lỗ tròn liên tục theo đề xuất

của một số tác giả

2.3 Các bước tính toán trong thiết kế

Hình 2.3 Biểu đồ nội lực trong giàn Vierendeel

Về cơ bản, dầm thép khoét lỗ làm việc như hệ giàn không có thanh xiên, chỉ

có các thanh cánh và thanh đứng liên kết cứng với nhau Khi dầm khoét lỗ chịu uốn, trong thanh cánh và thanh đứng ngoài lực dọc và lực cắt còn xuất hiện mô-men uốn cục bộ như hình 2.3 Loại giàn chỉ có thanh cánh và thanh đứng mà không

có thanh xiên được gọi là giàn Vierendeel, hiện tượng xuất hiện mô-men cục bộ

Mô-men uốn cục bộ

uốn cục bộ bằng không

Do sự xuất hiện với số lượng đáng kế của các lỗ mở liên tục trên bản bụng của dầm, nên các tiết diện dọc dầm có thể là tiết diện đặc hoàn toàn, hoặc tiết diện

có lỗ mở Khi đó, các khả năng chịu tải trọng của các phần tử đặc và các phần tử chữ T (phần tử có lỗ mở) là khác nhau Đồng thời, với các lỗ mở hình răng cưa, việc tập trung ứng suất tại các góc lỗ mở cần nghiên cứu tính toán Kết quả thí nghiệm thực tế cho thấy dầm có thể bị phá hoại tại vùng góc lỗ hoặc tại khu vực bản bụng giữa hai lỗ liên tiếp

Khi tính toán dầm khoét lỗ liên tục, cần nghiên cứu thiết kế đảm bảo an toàn trước các dạng phá hoại sau:

a) Phá hoại gây ra bởi uốn tổng thể

b) Phá hoại gây ra bởi hiệu ứng uốn Vierendeel

c) Phá hoại gây ra bởi mất ổn định cục bộ bản bụng

d) Phá hoại gây ra bởi cắt dọc dầm

e) Phá hoại gây ra bởi cắt ngang phần bản bụng giữa hai lỗ

f) Phá hoại gây ra bởi mất ổn định phần bản bụng giữa hai lỗ

g) Chuyển vị

2.3.1 Tính toán khả năng chịu lực trục và độ bền uốn của tiết diện chữ Tee

a) Tính toán lực dọc trục

Lực dọc trục là một hàm của momen uốn trong dầm Lực dọc trục bằng thương

số của momen tiết diện và khoảng cách giữa 2 tâm của tiết diện chữ T

effec

d

r r

+ Deffec: Khoảng cách giữa 2 tâm của tiết diện chữ T, in (mm)

b) Tính toán Momen Vierendeel

Với dầm khoét lỗ răng cưa:

tee net 2

tee 0 net 4

+ Anet: Diện tích toàn bộ tiết diện T trên và T dưới, in2 (mm2)

+ Atee: Diện tích tiết diện T, in2 (mm2)

+ Do: Đường kính lỗ mở, in (mm)

+ Vr: Lực cắt trên tiết diện, kips (N)

+ e: Chiều dài phần cắt dọc trục trung hòa (thông số chế tạo)

c) Tính toán khả năng chịu lực trục (độ bền kéo/nén)

Hình 2.4 Biểu đồ nội lực trong dầm khi chịu lực tác dụng

Độ bền chịu lực trục tiêu chuẩn với các tiết diện không là tiết diện mảnh được tính theo AISC Specifiation Section mục E3, ta có:

Fy Fe

Với e 2 2

c

E F

L r

d) Tính toán khả năng chịu mất ổn định uốn xoắn của dầm

cy

y

E F

L r

w ez

1 o o

o

x y H

- Lcx: Chiều dài tính toán chịu uốn theo phương x in(mm)

- Lcy: Chiều dài tính toán chịu uốn theo phương y in(mm)

- Lcz: Chiều dài tính toán xoắn in(mm)

- r o : Bán kính quán tính chuyển về tâm cắt in(mm)

b) Cường độ chịu uốn danh nghĩa

Hình 2.5 Momen trong dầm do chịu lực tác dụng

 Độ bền uốn danh nghĩa

+ M y F S y x tee : Momen chảy của tiết diện chữ T, kip-in (N-mm)

+ S x tee : Modun chống uốn đài hồi của tiết diện chữ T với trục x

 Kiểm tra ổn định oằn bên uốn xoắn của dầm

Khi L b L p không cần xét về oằn biên uốn xoắn

Khi L p L b L r sự oằn biên xảy ra trong giai đoạn đàn dẻo Ta có:

 

  

  ([8] F9-11) (2.22)d: Bề dày tiết diện T trong vùng kéo in(mm)

Đối với cấu kiện chịu nén có chiều dài tự do, Fcr được tính theo công thức

b

I d B

 

   

  ([8] F9-12) (2.23) Trong đó:

d: Bề dày tiết diện T trong vùng nén in(mm)

Với tiết diện T, ta có

M M M ([8] F9-13) (2.24)

 Độ bền uốn cục bộ của phần tiết diện chữ T, tính theo phần F9.3

a) Với các tiết diện đặc chắc, không cần xét đến sự mất ổn định cục bộ tiệt diện

f

f

ES M

b t

b t

x

S : Modun chống uốn đài hồi của tiết diện với trục x in3 (mm3)

Ứng suất tới hạn theo điều kiện ổn định, Fcr, được tính như sau:

E F

d t

r

M M

r

M M

a) Tính toán lực cắt và mômen gây ra trên bản bụng

Lực cắt tại các tiết diện được tính theo công thức:

20.25 ( 2 )