TÍNH THANH THÉP RỖNG CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM VÀ LỆCH TÂM THEO TCVN 5575:2012, QUY PHẠM HOA KỲ AISC 360-10 VÀ TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EC3.1.1. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Sau đó tính toán cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén đúng tâm và lệch tâm theo tiêu chuẩn Việt Nam, Quy phạm Hoa Kỳ và tiêu chuẩn Châu Âu, so sánh được khả năng chịu lực tới hạn của cấu kiệ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN HỮU PHÚC

TÍNH THANH THÉP RỖNG CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM VÀ LỆCH TÂM THEO TCVN 5575:2012, QUY PHẠM HOA KỲ

AISC 360-10 VÀ TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EC3.1.1

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

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS PHẠM VĂN HỘI

Đà Nẵng - Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung và tính trung thực của đề tài nghiên cứu này

Tác giả luận văn

Trần Hữu Phúc

MỤC LỤC

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Cơ sở khoa học và thực tiễn 1

6 Kết quả đạt được 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN TIẾT DIỆN RỖNG 2

1.1 Đại cương về cấu kiện tiết diện rỗng 2

1.1.1 Khái niệm 2

1.1.2 Ưu nhược điểm 2

1.1.3 Tính chất cơ học và hình học của thép hình rỗng 3

1.1.4 Phạm vi ứng dụng 4

1.2 Tình hình ứng dụng kết cấu thép hình tiết diện rỗng (thép ống) ở Việt Nam và trên thế giới 5

1.2.1 Tình hình ứng dụng kết cấu thép tiết diện rỗng ở Việt Nam 5

1.2.2 Tình hình ứng dụng kết cấu thép tiết diện rỗng trên thế giới 7

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU NÉN TIẾT DIỆN RỖNG 12

2.1 Sự làm việc của cấu kiện chịu nén 12

2.1.1 Khái niệm 12

2.1.2 Lực tới hạn Euler 12

2.2 Sự làm việc của cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén 13

2.3 Cơ sở thiết kế kết cấu thép 15

2.3.1 Nguyên tắc chung dùng trong thiết kế 15

2.3.2 Tải trọng kế sử dụng trong thiết kế 19

2.3.3 Vật liệu thép sử dụng theo các tiêu chuẩn thiết kế 27

2.3.4 Sự khác nhau giữa cấu kiện rỗng và đặc 31

2.4 Tính toán cấu kiện chịu nén tiết diện rỗng 31

2.4.1 Tính toán cấu kiện chịu nén tiết diện rỗng theo TCVN 5575:2012 31

2.4.2 Tính toán cấu kiện chịu nén tiết diện rỗng theo tiêu chuẩn EN 1993-1-1:2005 40

2.4.3 Tính toán cấu kiện chịu nén tiết diện rỗng theo tiêu chuẩn Hoa KỳAISC

360-10: 51

2.5 Bảng so sánh giữa các tiêu chuẩn: tiêu chuẩn Việt Nam, tiêu chuẩn châu Âu và tiêu chuẩn Hoa Kỳ 62

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN 64

3.1 Tính toán cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén đúng tâm: 64

3.1.1 Tính toán theo TCVN 5575:2012 65

3.1.2 Tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-1:2005 66

3.1.3 Tính toán theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ AISC 360-10 66

3.1.4 Tính toán với một số ví dụ khác 68

3.1.5 Nhận xét 69

3.2 Tính toán cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén lệch tâm 70

3.2.1 Tính toán theo TCVN 5575:2012 71

3.2.2 Tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-1:2005 73

3.2.3 Tính toán theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ AISC 360-10 74

3.2.4 Tính toán với một số ví dụ khác 74

3.2.5 Nhận xét 76

3.3 Nhận xét chung 77

KẾT LUẬN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

TÍNH THANH THÉP RỖNG CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM VÀ LỆCH TÂM THEO TCVN 5575:2012 , QUI PHẠM HOA KỲ AISC 360-10

VÀ TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EC3.1.1

Học viên: Trần Hữu Phúc

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

Mã số: Khóa: K34 (2017-2019) Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Luận văn đưa ra một cách tổng quan những vấn đề về cấu kiện tiết diện rỗng,

sự làm việc của cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén Sau đó tính toán cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén đúng tâm và lệch tâm theo tiêu chuẩn Việt Nam, Quy phạm Hoa Kỳ và tiêu chuẩn Châu Âu, so sánh được khả năng chịu lực tới hạn của cấu kiện thép tiết diện rỗng trong hai trường hợp nén đúng tâm và nén lệch tâm giữa ba tiêu chuẩn Kết quả là cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén đúng tâm tính theo Quy phạm Hoa Kỳ lớn hơn tiêu chuẩn Việt Nam và nhỏ hơn tiêu chuẩn châu Âu; cấu kiện tiết diện rỗng nén lệch tâm tính theo Quy phạm Hoa Kỳ nhỏ hơn tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Châu Âu Từ đó đưa ra công thức tính giá trị lực tới hạn gần đúng đơn giản nhất phục vụ cho bài toán thiết kế sơ

2012, US REGULATIONS AISC 360-10 AND EUROPEAN STANDARDS EC3.1.1

Abstract - The thesis provides an overview of the issues of hollow section components,

the work of compressed cross-section components Then calculate the hollow cross section with the right center and eccentric compression according to Vietnam standards,

US Rules and European standards, comparing the critical bearing capacity of hollow section steel components in two case of right center compression and eccentric compression between the three standards As a result, the hollow cross-section components subjected to the right compression under the US Rules are greater than Vietnamese standards and smaller than European standards; The structure of hollow cross section of eccentricity under American Rules is smaller than Vietnamese standards and European standards Since then, the formula for calculating the simplest approximate critical force value for the initial preliminary design problem

Key words - properties hollow steel bar, compressed axially, eccentric compression,

Vietnam, Europe, United States

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

a) Các đặc trưng hình học

A diện tích tiết diện nguyên

An diện tích tiết diện thực

Af diện tích tiết diện bản cánh

Aw diện tích tiết diện bản bụng

Aeff diện tích hiệu dụng của tiết diện khi tính toán tiết diện mảnh

b chiều rộng của tiết diện

h chiều cao của tiết diện

t chiều dày tiết diện

d đường kính ngoài của tiết diện

i bán kính quán tính của tiết diện

imin bán kính quán tính nhỏ nhất của tiết diện

ix, iy bán kính quán tính của tiết diện đối với các trục tương ứng x-x,

l0 chiều dài tính toán của cấu kiện chịu nén

lx, ly chiều dài tính toán của cấu kiện trong các mặt phẳng vuông góc

với các trục tương ứng x-x, y-y

Wx, Wy môđun chống uốn (mômen kháng) của tiết diện nguyên đối với

các trục tương ứng x-x, y-y

Wnx,min, Wny,min môđun chống uốn (mômen kháng) nhỏ nhất của tiết diện

thực đối với các trục tương ứng x-x, y-y

Wpl môđun chống uốn dẻo của tiết diện

Wel,min môđun chống uốn đàn hồi nhỏ nhât

Weff,min môđun chống uốn đàn hồi hữu hiệu nhỏ nhất

b) Ngoại lực và nội lực

Mx, My mômen uốn đối với các trục tương ứng x-x, y-y

MEd giá trị thiết kế của mômen uốn

V lực cắt

My,Ed mômen uốn thiết kế trục y-y

Mz,Ed mômen uốn thiết kế trục z-z

Mc,Rd khả năng chịu uốn của tiết diện đối với 1 trục chính

Nb,Rd khả năng chịu nén của tiết diện theo điều kiện ổn định

Nc,Rd khả năng chịu nén của tiết diện theo điều kiện bền

NEd giá trị thiết kế của lực nén dọc trục

Npl,Rd khả năng chịu nén khi thiết kế dẻo của tiết diện

NRd khả năng chịu nén của tiết diện

∆MEd mômen tăng thêm do dịch chuyển tâm của tiết diện đối với tiết

diện mảnh loại 4

VEd giá trị thiết kế của lực cắt

Vc,Rd khả năng chịu cắt của tiết diện

Vpl,Rd khả năng chịu nén khi tính toán dẻo của tiết diện

c) Cường độ và ứng suất

E môđun đàn hồi

fy cường độ tiêu chuẩn lấy theo giới hạn chảy của thép

fu cường độ tiêu chuẩn của thép lấy theo sức bền kéo đứt

f cường độ tính toán của thép chịu kéo, nén, uốn lấy theo giới hạn

chảy

fc cường độ tính toán của thép khi ép mặt theo mặt phẳng tì đầu

fv cường độ tính toán chịu cắt của thép

fcd cường độ tính toán chịu ép mặt theo đường kính con lăn

G môđun trượt

σ ứng suất pháp

d) Kí hiệu các thông số

cx, cy, nc các hệ số phụ thuộc vào hình dạng tiết diện dùng để kiểm tra bền

của cột chịu nén lệch tâm

e độ lệch tâm của lực

m độ lệch tâm tương đối

me độ lệch tâm tương đối tính đổi

c hệ số điều kiện làm việc của kết cấu

M hệ số độ tin cậy về cường độ

Q hệ số độ tin cậy về tải trọng

hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện

độ mảnh của cấu kiện

x, y độ mảnh tính toán của cấu kiện đối với các trục tương ứng x-x, y-y

hệ số chiều dài tính toán của cột

hệ số uốn dọc

e hệ số giảm cường độ tính toán khi nén lệch tâm, nén uốn

Cm hệ số mômen phân bố đều tương đương

α hệ số không hoàn chỉnh

M0 hệ số độ xét đến hình dạng tiết diện

M1 hệ số độ xét đến tính không ổn định của cấu kiện khi kiểm tra

hệ số giảm tuỳ theo dạng đường cong uốn dọc

y hệ số giảm tuỳ theo dạng đường cong uốn dọc (trục y-y)

z hệ số giảm tuỳ theo dạng đường cong uốn dọc (trục z-z)

kij các hệ số tương t

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc tính cơ học của thép hình rỗng sản xuất theo phương pháp cán nóng 3

Bảng 1.2 So sánh tương đương tên thép rỗng theo các tiêu chuẩn [2] 3

Bảng 2.1 Phân loại việc sử dụng thép hình rỗng 14

Bảng 2.2 Phân hạng tải trọng sử dụng 22

Bảng 2.3 Tải trọng áp đặt trên sàn, ban công, cầu thang 23

Bảng 2.4 Tổ hợp tải trọng 24

Bảng 2.5 Cường độ tính toán của thép cán nóng và thép ống 27

Bảng 2.6 Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính toán của thép các bon 28

Bảng 2.7 Giá trị danh nghĩa của giới hạn bền fu giới hạn chảy fy của thép tiết diện rỗng 29

Bảng 2.8 Tính chất một số loại thép được chấp thuận sử dụng theo Quy phạm AISC 30 Bảng 2.9 Hệ số xác định chiều dài tính toán của cột có tiết diện không đổi 32

Bảng 2.10 Hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện 34

Bảng 2.11 Các hệ số c1, cx, cy, nc 35

Bảng 2.12 Hệ số α và 37

Bảng 2.13 Tỷ số giới hạn đối với bụng tiết diện rỗng chữ nhật 41

Bảng 2.14 Tỷ số giới hạn đối với cánh tiết diện rỗng chữ nhật 42

Bảng 2.15 Tỷ số giới hạn cho tiết diện d/t cho tiết diện tròn rỗng 43

Bảng 2.16 Hệ số không hoàn chỉnh đối với các dạng đường cong 48

Bảng 2.17 Chọn đường cong uốn dọc cho tiết diện rỗng 48

Bảng 2.18 Giá trị NRk = fy Ai, Mi,Rk = fy Wi và ∆ Mi,Ed 49

Bảng 2.19 Hệ số tương tác kij cho cấu kiện thép tiết diện rỗng 49

Bảng 2.20 Hệ số mômen phân bố đều tương đương Cm trong bảng 2.19 51

Bảng 2.21: Ứng suất cho phép của cấu kiện nén làm bằng thép có ứng suất chảy quy định là 36 ksi 56

Bảng 2.22: Ứng suất cho phép của cấu kiện nén làm bằng thép có ứng suất chảy quy định là 50 ksi 57

Bảng 2.23 So sánh các tiêu chuẩn 62

Bảng 3.1 Bảng thông số tính toán cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén đúng tâm 68

Bảng 3.2 Bảng tiết diện và đặc trưng tiết diện 68

Bảng 3.3 Bảng tổng hợp kết quả tính toán 69

Bảng 3.4 Bảng thông số tính toán cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén lệch tâm 75

Bảng 3.5 Bảng tiết diện và đặc trưng tiết diện 75

Bảng 3.6 Bảng tổng hợp kết quả tính toán 75

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Tiết diện rỗng 2

Hình 1.2 Cầu đi bộ vượt đường sắt ở Thanh Hóa 6

Hình 1.3 Cầu Bình Lợi, quận Bình Thạnh, thành phố Hồ Chí Minh 6

Hình 1.4 Móng cọc ống thép bến số 2 cảng Cái Lân 7

Hình 1.5 Cầu vượt ngã 6 Gò Vấp, thành phố Hồ Chí Minh 7

Hình 1.6 Tháp Tokyo Skytree 8

Hình 1.7 Tháp Minh Châu Phương Đông – Thượng Hải 9

Hình 1.8 Sân bay Incheon, Hàn Quốc 9

Hình 1.9 Cầu Forth , Scotland 10

Hình 1.10 Sân Quần vợt USTA Arthur Ashe, Hoa Kỳ 10

Hình 1.11 Nhà hát Opera de Arame , Coritiba, Brazil 11

Hình 1.12 Tòa tháp đôi Petronas, Malaysia 11

Hình 2.1 Các đường cong về uốn dọc 13

Hình 2.2 So sánh khối lượng cần cho bền đối với uốn dọc của thép hình rỗng và thép hình hở bằng loại thép S235 [tham khảo] 15

Hình 2.3 Tiết diện ngang của thép ống 46

Hình 2.4 Đường cong quan hệ ứng suất tới hạn với độ mảnh 52

Hình 2.5 Kết quả nghiên cứu của Hội đồng nghiên cứu về ổn định kết cấu (SSCR) 53

Hình 2.6 Chiều dài tính toán của một số trường hợp đơn giản 53

Hình 2.7 Sơ đồ chịu nén lệch tâm của cột mảnh 59

Hình 2.8 Quy ước dấu M 59

Hình 2.9 Chiều dài hiệu dụng của các cột được lý tưởng hoá 60

Hình 3.1 Cột chịu nén đúng tâm 64

Hình 3.2 Biểu đồ so sánh 3 tiêu chuẩn cột nén đúng tâm theo Ví dụ 1 69

Hình 3.3 Cột chịu nén lệch tâm 70

Hình 3.4 Biểu đồ so sánh 3 tiêu chuẩn cột nén lệch tâm theo ví dụ 1 76

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, thép hình tiết diện rỗng được áp dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng do có những đặc tính ưu việt như chịu lực tốt, bền bỉ, độ đồng nhất cao, dễ lắp đặt, linh hoạt và khả năng chống ăn mòn tốt

Hiện nay ở Việt Nam việc tính toán thiết kế cấu kiện thép tiết diện rỗng theo tài liệu trong nước còn hạn chế, ở nước ta đang sử dụng nhiều loại tài liệu, tiêu chuẩn khác nhau trên thế giới như Việt Nam, Mỹ, Châu Âu, Nga, Úc…

Do vậy trong khuôn khổ Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu tính toán cấu kiện thép tiết diện rỗng chịu nén theo tiêu chuẩn Việt Nam, tiêu chuẩn Châu Âu và Quy phạm Hoa Kỳ

2 Mục đích nghiên cứu

Áp dụng tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575 – 2012, tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-1:2005 và Quy phạm Hoa Kỳ AISC 360-10 để tính toán cấu kiện thép chịu nén tiết diện rỗng

Nghiên cứu lý thuyết tính toán của cấu kiện thép tiết diện rỗng chịu nén theo tiêu chuẩn Việt Nam, tiêu chuẩn Châu Âu và Quy phạm Hoa Kỳ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Cấu kiện thép tiết diện rỗng (tiết diện tròn rỗng và tiết diện chữ nhật rỗng)

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết dựa trên những tài liệu, tiêu chuẩn, quy phạm trong nước, tiêu chuẩn Châu Âu và Quy phạm Hoa Kỳ

5 Cơ sở khoa học và thực tiễn

Cấu kiện thép hình tiết diện rỗng được áp dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng hiện nay Lý thuyết và ví dụ tính toán sẽ là nguồn tài liệu tham khảo hữu ích cho người đọc

6 Kết quả đạt được

Đã hệ thống các biểu thức, phương trình chủ đạo của lý thuyết tính toán cấu kiện thép tiết diện rỗng chịu nén theo tiêu chuẩn Việt Nam, tiêu chuẩn Châu Âu và Quy phạm Hoa Kỳ

So sánh được khả năng chịu lực tới hạn của cấu kiện thép tiết diện rỗng trong hai trường hợp chịu nén đúng tâm và chịu nén lệch tâm giữa ba tiêu chuẩn: tiêu chuẩn Việt Nam, tiêu chuẩn Châu Âu và Quy phạm Hoa Kỳ

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN TIẾT DIỆN RỖNG

1.1 Đại cương về cấu kiện tiết diện rỗng

1.1.1 Khái niệm

Tiết diện rỗng (Hollow section) bao gồm các dạng tiết diện kín, hình ống (mặt cắt vành khăn); hình vuông, chữ nhật, tam giác, elip, lục giác, bát giác…Phổ biến nhất là các tiết diện thép ống hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật Ống tròn gọi là tiết diện tròn rỗng – circular hollow section (CHS) ví dụ: 300x15CHS là đường kính ngoài và

bề dày (mm) Ống chữ nhật gọi là tiết diện chữ nhật rỗng – rectangular hollow section (RHS) ví dụ 200x100x10 là chiều cao, bề rộng và chiều dày (mm) Có 2 loại tiết diện: Thép cán nóng (thông thường) và tiết diện rỗng tạo hình nguội (thép thành mỏng)

Khi thiết kế có thể thay đổi độ bền của cấu kiện mà không thay đổi chiều rộng hay đường kính bằng cách chỉ thay đổi bề dày hay loại thép hoặc dùng bê tông nhồi Hình dạng đóng kín và góc lượn tròn làm giảm chi phí về chống gỉ và chống ăn mòn Không gian bên trong cho phép kết hợp chức năng chịu lực với các ứng dụng khác như chống cháy, thông gió, sưởi…Việc sử dụng hợp lí tiết diện rỗng tạo điều kiện cho kết cấu gọn đẹp, dễ đáp ứng yêu cầu công năng, kiến trúc và thẩm mỹ

Các thanh tiết diện rỗng tròn thường nhẹ và thoáng gió, phù hợp với các kết cấu chịu tải trọng thuỷ động hoặc khí động, các trường hợp khác nên sử dụng thanh rỗng tiết diện hình vuông hoặc hình chữ nhật để lắp ráp dễ hơn

Liên kết thường là liên kết trực tiếp, hạn chế sử dụng bản mã hoặc bản gia cường

nên không quá phức tạp trong thi công

1.1.2.2 Nhựơc điểm

Khả năng chịu lực của các tiết diện rỗng là có giới hạn, nhất là kết cấu thành

mỏng có khả năng mất ổn định cục bộ

Không bảo dưỡng được mặt bên trong, do vậy ngay từ khi thiết kế và chế tạo cần

phải có giải pháp bảo vệ mặt bên trong cột

Giá một dơn vị vật liệu thanh rỗng cao hơn thanh hở tuy vậy việc khai thác các

ưu việt vốn có của thanh rỗng khi thiết kế sẽ có thể đạt được những kết cấu tiết kiệm hơn

1.1.3 Tính chất cơ học và hình học của thép hình rỗng

1.1.3.1 Tính chất cơ học

a) Đối với thép hình rỗng cán nóng:

Theo tiêu chuẩn Châu Âu: Các loại thép sử dụng đối với thép hình rỗng được cho

ở bảng 1 trích từ Tiêu chuẩn EN10210, phần 1 “Thép hình rỗng chế tạo theo phương

pháp cán nóng – các điều kiện kĩ thuật

Bảng 1.1 Đặc tính cơ học của thép hình rỗng sản xuất theo phương pháp cán nóng

Số hiệu

Giới hạn đàn hồi danh nghĩa

f y (N/mm 2 )

Giới hạn bền chịu kéo

Ký hiệu chung Snnn: Trong đó S là viết tắt của structure (kết cấu), nnn chỉ số

biểu thị giới hạn chảy của thép (N/mm2) S235 là thép cacbon thấp phổ thông, S275 là

thép cacbon thấp có cường độ khá cao được lấy làm cấp thép cơ bản Có thể so sánh

tương đương các tên thép hình rỗng theo các tiêu chuẩn như sau:

Bảng 1.2 So sánh tương đương tên thép rỗng theo các tiêu chuẩn [2]

Thép hình mỗi nước có đặc trưng hình học rất khác nhau dù cùng là 1 kích cỡ

nên không thể thay thế thép hình nước này bằng thép hình nước khác dù là cùng kích

cỡ

b) Đối với thép hình chế tạo nguội:

Vật liệu cơ bản là những tấm tôn cán phẳng (tôn cơ bản) được dùng để sản xuất thép hình rỗng bằng tạo hình nguội Có thể xét đến sự tăng giới hạn đàn hồi do cứng nguội như sau: Giới hạn đàn hồi trung bình fya đựoc xác định bằng thực nghiệm trên những tiết diện thực hoặc theo công thức:

F ya = f yb + (k.n.t 2 /A) (f u - f yb ) (1.1)

Trong đó:

fyb, fu : Giới hạn đàn hồi khi kéo và giới hạn phá hoại khi kéo của vật liệu cơ bản (N/mm2);

t: Chiều dày của tấm tôn cơ bản (mm);

A: Diện tích nguyên của tiết diện ngang (mm2);

K: hệ số phụ thuộc vào kiểu tạo hình (k = 7 đối với tạo hình nguội);

n: số lần uốn gập 900 trong thép hình có bán kính cong < 5t

fya không vượt quá fu hoặc 1,2 fyb

1.1.3.2 Tính chất hình học

Dung sai chế tạo thép hình rỗng thường nhỏ hơn so với thép hình hở

Việc chọn tiết diện thép hình rỗng phụ thuộc các đặc trưng hình học là các đại lượng quyết định khả năng chịu lực của tiết diện

nhất Nếu giải pháp này không phù hợp thì mới sử dụng sườn gia cố

1.1.4.2 Dàn lưới không gian

Gồm các phần tử giống nhau được lặp lại (gọi là môđun - cấu trúc tinh thể), ghép với nhau tạo nên kết cấu Các môđun có thể là thẳng, phẳng hoặc ba chiều Các phần tử của kết cấu không gian chủ yếu là các thanh tiết diện rỗng (thép ống) chịu nén hay chịu kéo Liên kết các thanh của kết cấu không gian đòi hỏi các nút đặc biệt (nút cầu hoặc nút trụ)

Kết cấu giàn lưới không gian có những ưu điểm vượt trội: kết cấu nhẹ, khả năng vượt nhịp lớn, có thể sử dụng thép cường độ cao, tiết kiệm vật liệu, có độ cứng không gian lớn, độ ổn định cao, có tính thẩm mỹ, thích ứng được với nhiều loại công trình với các dạng mặt bằng kiến trúc khác nhau, dễ môđun hoá, thuận tiện cho việc công nghiệp hoá quá trình chế tạo, dễ vận chuyển lắp dựng, thi công nhanh…

1.1.4.3 Kết cấu hỗn hợp

Là loại kết cấu tiết diện rỗng, bên trong nhồi bê tông khi độ dày của thành ống có trên thị trường không đủ cho thanh chịu được tải trọng Điều này cho phép tất cả các

cột trong mọi tầng nhà có cùng kích thước bên ngoài: ở các tầng trên dùng bề dày thực

tế của thép ống ứng với kích thước ngoài, ở các tầng dưới tăng sức chịu tải bằng cách nhồi bê tông

Ưu điểm cơ bản của kết cấu hỗn hợp là tăng độ ổn định cục bộ cũng như tổng thể của kết cấu, khả năng biến dạng tốt hơn kết cấu bê tông cốt thép nên phát huy ưu điểm trong kháng chấn, phương pháp thi côg hiện đại, hiệu quả kinh tế cao Tăng khả năng chịu lửa cho kết cấu thép

1.1.4.4 Ống dẫn chất lỏng, chất khí

Có hiệu quả cao nhờ có hệ số cản nhỏ, tiết diện kín, không thấm

1.2 Tình hình ứng dụng kết cấu thép hình tiết diện rỗng (thép ống) ở Việt Nam

và trên thế giới

1.2.1 Tình hình ứng dụng kết cấu thép tiết diện rỗng ở Việt Nam

Sự phát triển khoa học công nghệ trong những năm qua đã chuyển giao nhiều ứng dụng thực tế các dạng kết cấu thép sử dụng tiết diện rỗng vào Việt Nam Đó là các loại công trình nhịp lớn, có hình dạng đặc biệt, yêu cầu thi công nhanh như cầu vượt bằng thép, nhà ga, nhà triển lãm…Cấu kiện tiết diện rỗng được sử dụng trong các kết cấu tháp thép, trụ thép như những thanh của dàn phẳng, dàn không gian trong các kết cấu giàn khoan dầu khí, dàn cầu đường sắt…

Trong đó, phổ biến nhất là kết cấu dàn lưới không gian đã được ứng dụng rỗng rãi trong thực tế như: Kết cấu mái nhà ga sân bay Cam Ranh, Trung tâm Hội nghị quốc gia, sân vận động quốc gia Mỹ Đình, nhà thi đấu thể dục thể thao Nam Định, Ninh Bình…Trước nhu cầu về sản xuất thép cán và ứng dụng thực tế và ứng dụng thực tế các sản phẩm thép mới vào kết cấu, từ cuối những năm 90 ở Việt Nam đã ra đời các nhà máy sản xuất thép ống:

- Nhà máy ống thép Việt - Đức (VG pipe) được xây dựng tại khu công nghiệp Bình Xuyên - Tỉnh Vĩnh Phúc Nhà máy có dây chuyền sản xuất thép ống hiện đại, công nghệ tiên tiến của CHLB Đức, với công suất 60000 tấn/ năm sản xuất các sản phẩm ống thép đa dạng, nhiều chủng loại, kích cỡ theo tiêu chuẩn Châu Âu

- Nhà máy thép ống Saki, phường Hiệp Bình Phước quận Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh với diện tích nhà xưởng 100.000m2 với công suất thiết kế 100.000 tấn thành phẩm/năm

- Công ty thép ống Việt Nam (Vinapipe) là liên doanh sản xuất ống thép giữa Tổng công ty thép Việt Nam (VSC) với hai tập đoàn thép hàng đầu của Hàn Quốc là SEAH và POSCO thành lập năm 1993 với công suất 30.000 tấn/năm

- Nhà máy thép ống Hoà Phát ở Hưng Yên và một số nhà máy thép ống khác…Sản phẩm thép ống do Việt Nam sản xuất có mặt trên thị trường vào cuối những năm 90 Chúng được sử dụng cho các công trình xây dựng, các kết cấu mái không gian nhịp lớn của các hội trường, nhà thi đấu, sân vận động, khu triển lãm… Sau đây giới thiệu hình ảnh các công trình sử dụng kết cấu thép ống ở Việt Nam:

Hình 1.2 Cầu đi bộ vượt đường sắt ở Thanh Hóa

Hình 1.3 Cầu Bình Lợi, quận Bình Thạnh, thành phố Hồ Chí Minh

Hình 1.4 Móng cọc ống thép bến số 2 cảng Cái Lân

Hình 1.5 Cầu vượt ngã 6 Gò Vấp, thành phố Hồ Chí Minh

1.2.2 Tình hình ứng dụng kết cấu thép tiết diện rỗng trên thế giới

So với Việt Nam, trên thế giới đã ứng dụng rất sớm thép hình rỗng vào các công trình đặc biệt là ở các nước công nghiệp phát triển như Hoa Kỳ, Đức, Pháp… Từ thế

kỷ XIX xuất phát từ đòi hỏi của thực tế sử dụng, cùng với những phương pháp cán nóng thép hình truyền thống dạng I, L hoặc U các thanh thép hình rỗng tiết diện tròn cũng đã được chế tạo, sản xuất Trong khi việc chế tạo, sản xuất thép hình rỗng hình chữ nhật chỉ xuất hiện trong những năm 50 và nhanh chóng phát triển trong những năm 60

Kết cấu thép sử dụng thanh tiết diện rỗng chữ nhật, tròn ngày càng được sử dụng rộng rãi và trở nên phổ biến Hiện nay đã có nhiều công trình ứng dụng loại kết cấu này, chủ yếu là cho các công trình nhịp lớn, kết cấu nhẹ như: Phòng trưng bày triển lãm, trung tâm thương mại, mái sân vận động và các công trình khác…

Dưới đây giới thiệu một số hình ảnh các công trình sử dụng kết cấu thép ống trên thế giới:

Hình 1.6 Tháp Tokyo Skytree

Hình 1.7 Tháp Minh Châu Phương Đông – Thượng Hải

Hình 1.8 Sân bay Incheon, Hàn Quốc

Hình 1.9 Cầu Forth , Scotland

Hình 1.10 Sân Quần vợt USTA Arthur Ashe, Hoa Kỳ

Hình 1.11 Nhà hát Opera de Arame , Coritiba, Brazil

Hình 1.12 Tòa tháp đôi Petronas, Malaysia

CHƯƠNG 2- TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU NÉN TIẾT DIỆN RỖNG

2.1 Sự làm việc của cấu kiện chịu nén

2.1.1 Khái niệm

Tiết diện chịu nén thông thường là tiết diện chữ I cánh rộng (tiết diện W) hoặc tiết diện ống tròn (tròn hay chữ nhật) Loại tiết diện này đối xứng hai trục nên khi chịu lực không xảy ra oằn xoắn, độ cứng uốn theo hai trục không khác nhau nhiều nên chịu lực tốt theo cả hai phương Dùng tiết diện chữ I thường (tiết diện S) cho cấu kiện nén không có lợi vì độ cứng đối với trục yếu của tiết diện là rất nhỏ Ngoài ra, cũng có thể dùng các tiết diện C, T (ghép hai thép góc) hoặc các tiết diện không đối xứng khác cho các cấu kiện chịu nén Khi đó phải xét vấn đề oằn uốn xoắn của cấu kiện Các cấu kiện rỗng tổ hợp được áp dụng có lợi khi có chiều dài lớn, hay khi muốn đảm bảo độ chịu lực đồng đều theo các phương

Một cấu kiện chịu nén đúng tâm, ngoài việc bị phá hoại về chảy dẻo như cấu kiện chịu kéo, còn có thể bị mất ổn định (bị oằn) theo các dạng khác nhau: oằn do uốn dọc, oằn do xoắn và oằn do uốn xoắn Với tiết diện đối xứng hai trục, trong hầu hết các trường hợp chỉ có thể bị oằn do uốn dọc, c n với tiết diện 1 trục đối xứng hoặc với tiết diện bất kì không đối xứng có thể bị oằn theo cả ba cách

Trong đó: E - mô đun đàn hồi của thép;

I - mô men quán tính nhỏ nhất của tiết diện;

L - chiều dài giữa các gối tựa của cấu kiện;

K là hệ số chiều dài tính toán, tùy thuộc liên kết tại các gối tựa KL là chiều dài tính toán (hay chiều dài oằn) của cấu kiện, là chiều dài quy đổi về một cấu kiện hai đầu liên kết khớp (tức là K=1) để có cùng lực tới hạn Euler Ứng suất tới hạn Euler là:

Đây là công thức kinh điển của ứng suất tới hạn Euler theo độ mảnh Đường

cong quan hệt Fe và KL/r là một đường hyperbol thường gọi là hyrperbol Euler Công

thức Euler được lập với giả thiết mô đun đàn hồi E là không đổi tức là chỉ đúng khi vật

liệu làm việc đàn hồi, hay Fe ≤ Fp, với Fp là giới hạn tỷ lệ của thép

2.2 Sự làm việc của cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén [2]

Khi cấu kiện tiết diện rỗng làm chịu nén, lực tới hạn phụ thuộc vào độ mảnh

0

l i

(2.4)

Trong đó: l0 - Chiều dài tính toán

i – Bán kính quán tính của tiết diện ngang của thép hình

Nhận xét: Các tiết diện có diện tích tương đương thì bán kính quán tính của thép

hình rỗng thường lớn hơn nhiều so với bán kính quán tính của tiết diện hở Với một

chiều dài cho trước, bán kính quán tính lớn sẽ làm cho độ mảnh giảm, từ đó khả năng

chịu lực cao hơn và do vậy tiết diện rỗng có trọng lượng tiết kiệm hơn so với tiết diện

hở Khả năng uốn dọc phụ thuộc vào độ lệch tâm ban đầu, những sai sót về hình dạng

hình học của thép hình, ứng suất dư, mức độ không đồng nhất của vật liệu thép và

quan hệ ứng suất - biến dạng của thép

Hình 2.1 Các đường cong về uốn dọc

Dựa trên nhiều nghiên cứu trong khuôn khổ của công ước Châu Âu về Kết cấu

kim loại, Eurocode 3 đã thiết lập “những đường cong uốn dọc” đối với các loại thép

hình chính trong đó có thanh tiết diện ống

Hệ số giảm trên hình là tỉ số giữa độ bền tính toán về uốn dọc Nb, Rd và độ bền

dẻo của tiết diện Npl, Rd;

Trong đó:

, ,

b Rd

b Rd

N f

A : Ứng suất tính toán uốn dọc;

Bảng 2.1 Phân loại việc sử dụng thép hình rỗng

fyb : Giới hạn đàn hồi của vật liệu cơ bản

fya : Giới hạn đàn hồi trung bình của thép hình tạo nguội

Đối với các loại thép thông thường, phần lớn các thép hình mặt cắt hở tuân theo các đường cong b hoặc c Chính vì vậy, việc sử dụng các thanh thép hình tiết diện rỗng sản xuất nóng thì tiết kiệm được vật liệu hơn so với các loại thép hình khác

Trên hình 2.2 so sánh khối lượng cần thiết của thép hình tiết diện hở và thép hình tiết diện rỗng tương ứng với thanh có chiều dài uốn dọc là 3m và chịu một lực nén cho trước

a z

Hình 2.2 So sánh khối lượng cần cho bền đối với uốn dọc của thép hình rỗng và thép

hình hở bằng loại thép S235 [tham khảo]

Với cùng một diện tích tương đương, khả năng chịu uốn dọc của thép hình rỗng tốt hơn khi tỉ số giữa kích thước ngang và chiều dày thành tăng lên Tuy nhiên sự tăng này dẫn tới nguy cơ phá hoại do oằn cục bộ của thành tiết diện rỗng Để tránh nguy cơ này, cần tuân theo những giới hạn của b/t hoặc d/t đưa ra trong Eurocode 3

2.3 Cơ sở thiết kế kết cấu thép

2.3.1 Nguyên tắc chung dùng trong thiết kế

2.3.1.1 Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo TCVN 5575:2012

a) Trạng thái giới hạn theo TCXDVN 5575:2012

Tiêu chuẩn TCXDVN 5575:2012 sử dụng phương pháp tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn (TTGH)

Mục đích của việc tính toán kết cấu là đảm bảo cho kết cấu không bị vượt quá trạng thái giới hạn khiến cho chúng không thể sử dụng được nữa, trong khi vẫn đảm bảo ít tốn kém nhất về vật liệu cũng như nhân công chế tạo và lắp dựng

Trạng thái giới hạn là trạng thái mà khi vượt quá thì kết cấu không còn thoả mãn các yêu cầu sử dụng hoặc dựng lắp Đối với kết cấu chịu lực người ta xét các trạng thái giới hạn sau:

Nhóm TTGH thứ nhất: mất khả năng chịu lực hoặc không còn sử dụng được nữa Nhóm TTGH thứ hai: không còn sử dụng bình thường được nữa

Nhóm TTGH thứ nhất gồm các trạng thái giới hạn sau: phá hoại về bền; mất ổn định; mất cân bằng vị trí; kết cấu bị biến đổi hình dạng Với các trạng thái này, kết cấu không thể sử dụng được nữa

Nhóm TTGH thứ hai gồm những trạng thái làm cho không sử dụng bình thường được nữa (sử dụng bình thường là sử dụng đúng yêu cầu của nhiệm vụ thiết kế mà không gặp khó khăn gì, không cần sửa chữa thêm gì) hoặc làm giảm tuổi thọ công trình như là: bị võng, bị lún, bị rung, bị nứt

Kết cấu phải được tính toán để đảm bảo cho không xuất hiện trạng thái giới hạn trong bất cứ trường hợp nào, dù có xét đến tổ hợp các điều kiện bất lợi nhất có thể có: tải trọng có trị số vượt quá mức bình thường, vật liệu có các đặc trưng cơ học kém nhất

Đối với nhóm TTGH thứ nhất, điều kiện an toàn về khả năng chịu lực có thể viết dưới dạng:

N ≤ S, Trong đó: N - nội lực trong cấu kiện đang xét;

S - nội lực giới hạn mà cấu kiện có thể chịu được

Nội lực N có giá trị lớn nhất có thể xảy ra trong suốt thờ gian sử dung Nội lực N gây bởi tải trọng tính toán, đó là tải trọng lớn nhất có thể có trong thời gian đó Tải trọng tính toán P là tích số của tải trọng tiêu chuẩn PC (tức là tải trọng lớn nhất có thể

có trong điều kiện sử dụng bình thường, được xác định bằng cách thống kê xác suất và được quy định trong tiêu chuẩn) với hệ số độ tin cậy về tải trọng Q (xét đến khả năng tải trọng thực tế có thể biến đổi khác với tải trọng tiêu chuẩn một cách bất lợi) Ngoài

ra, tải trọng tính toán P còn nhân thêm với hệ số an toàn sử dụng n, xét đến mức độ quan trọng của công trình

Khi có nhiều tải trọng (Pi) tác dụng đồng thời, phải tính toán với tổ hợp bất lợi nhất của tải trọng Xác suất để xuất hiện đồng thời nhiều tải trọng mang giá trị lớn nhất được xét bằng cách nhân tải trọng hoặc nội lực với hệ số tổ hợp nc

Như vậy, nội lực N có thể viết dưới dạng

c i

, Trong đó: N i - nội lực do Pi = 1

Khả năng chịu lực S là nội lực giới hạn mà cấu kiện có thể chịu được, nó phụ thuộc các đặc trưng hình học của tiết diện cấu kiện và các đặc trưng cơ học của vật liệu Có thể viết S dưới dạng tích số của đặc trưng hình học tiết diện A (diện tích, môđun chống uốn…) với cường độ tính toán f của vật liệu và với hệ số điều kiện làm việc c Cường độ tính toàn f bằng cường độ tiêu chuẩn của vật liệu chia cho hệ số độ tin cậy về cường độ M Cường độ tiêu chuẩn của vật liệu fy chính là giới hạn chảy σc

của thép: fy = σc, hoặc trong một số trường hợp mà có thể sử dụng tới giới hạn bền thì

, khi tính theo giới hạn bền

Như vậy, khả năng chịu lực S viết là

c M

b) Hệ số tin cậy theo TCXDVN 5575:2012

Khi tính toán kết cấu sử dụng các hệ số tin cậy như sau:

- Hệ số độ tin cậy về cường độ vật liệu M (xem mục 2.3.1)

- Hệ số độ tin cậy về tải trọng Q Khi tính toán theo giới hạn về khả năng chịu lực, sử dụng tải trọng tính toán là tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số Q (gọi là hệ số vượt tải hoặc hệ số tin cậy tải trọng) Khi tính toán theo trạng thái giới hạn về sử dụng

và tính toán về mỏi thì dùng tải trọng tiêu chuẩn

- Hệ số điều kiện làm việc của kết cấu C Khi kiểm tra khả năng chịu lực của các kết cấu thuộc những trường hợp nêu trong bảng 3 - TCXDVN 5575:2012, cường độ tính toán của thép và của liên kết phải được nhân với hệ số điều kiện làm việc để kể đến sự làm việc bất lợi của kết cấu so với bình thường

2.3.1.2 Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1:2005

1993-1-a) Thiết kế theo trạng thái giới hạn

EN 1993 – 1- 1:2005 quy định tính toán kết cấu thép theo trạng thái giới hạn Kết cấu được thiết kế sao cho không vượt quá trạng thái giới hạn của nó Các trạng thái

giới hạn về khả năng chịu lực (trạng thái giới hạn thứ nhất) là các trạng thái kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực, sẽ bị phá hoại, sụp đổ hoặc hư hỏng do biến dạng quá lớn hoặc do hư hỏng cục bộ làm nguy hại đến sự an toàn của con người, của công trình; Trạng thái giới hạn về độ võng và biến dạng gồm:

1- Do sự rung động quá mức, sự han gỉ quá mức dẫn đến việc hạn chế sử dụng công trình; 2 - Làm hỏng sự hoàn thiện của kết cấu; 3 - Làm ảnh hưởng đến việc sử dụng bình thường của thiết bị máy móc, của con người

b) Hệ số tin cậy

Theo Eurocode3 khi tính toán kết cấu thép sử dụng hệ số tin cậy sau:

- f, Sd : Hệ số an toàn về tải trọng;

- f xét đến sự sai khác có thể có của tải trọng thực tế so với giá trị quy định;

- sd xét đến sự sai khác của kết cấu thực tế so với mô hình dùng trong tính toán;

F = f sd (2.6)

- m , Rd : Hệ số an toàn vật liệu Xét đến sự biến động của tính chất vật liệu và sức chịu của kết cấu khi vật liệu của kết cấu thực sai khác với vật liệu của mô hình tính toán

M = m Rd (2.7) Các hệ số độ tin cậy của vật liệu và tải trọng được lấy theo quy định của tiêu chuẩn từ EN 1992 đến EN 1999

2.3.1.3 Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo Quy phạm Hoa Kỳ AISC 360-10 a) Theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD):

Quy phạm Hoa Kỳ AISC 360-10 dùng phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng

và hệ số sức kháng, nhưng thực chất là thiết kế theo trạng thái giới hạn Nguyên tắc của thiết kế theo trạng thái giới hạn là khi chịu các tổ hợp tải trọng quy định, kết cấu không được vượt quá trạng thái giới hạn về độ bền và về sử dụng

Phương pháp LRFD sử dụng hai hệ số tải trọng và hệ số sức đề kháng để đánh giá độ an toàn của kết cấu Yêu cầu của thiết kế thép phương pháp LRFD là độ bền thiết kế (tức là độ bền danh nghĩa nhân với hệ số kháng) của mỗi cấu kiện phải lớn hơn hay bằng độ bền yêu cầu (tức là nội lực gây ra bởi tổ hợp các tải trọng đã được nhân

với hệ số tải trọng) Biểu thức của yêu cầu này có thể viết như sau: øRn ≥ Ru

Rn = độ bền danh nghĩa, là sức kháng xác định theo lý thuyết, cụ thể là bằng các công thức tại các chương của Quy phạm AISC, dùng các giá trị Fy và Fu của thép

øRn = độ bền thiết kế với hệ số sức kháng ø làm giảm độ bền Giá trị của ø từ 0,7

đến 1,0 Thuật ngữ độ bền thiết kế chính là độ bền khả dụng của các phương pháp LRFD

Ru = độ bền yêu cầu, là nội lực gây ra bởi các tải trọng đã được gia tăng bằng hệ

số tải trọng Nếu gọi Qi là các ảnh hưởng tác dụng của tải trọng và i là các hệ số tải

trọng thì có thể viết là tổng của các tác dụng của tải trọng đã được gia tăng bằng hệ số

Có một hệ số xét đến sự biến động của các sức kháng R có quan hệ đến sự biến động của ảnh hưởng của tải trọng Q gọi là hệ số kháng R và Q là các đại lượng biến ngẫu nhiên, sự phân phối xác suất của chúng có thể đưa về dạng phân phối chuẩn Kết cấu là an toàn khi R>Q

b) Theo độ bền cho phép (ASD):

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là độ bền yêu cầu phải không được vượt quá độ bển cho phép, tức là độ bền danh nghĩa chia cho hệ số an toàn

Ra được xác định theo tổ hợp tải trọng của phương pháp ASD; Rn là độ bền danh

nghĩa, là sức kháng xác định theo lý thuyết;

Ω là hệ số an toàn

Hệ số an toàn Ω:

Cơ sở tính toán của phương pháp này là ứng suất lớn nhất trong một bộ phận kết cấu không được vượt quá ứng suất cho phép đã qui định Ứng suất cho phép là ứng suất giới hạn có thể có trong kết cấu (như Fy, Fu) chia cho hệ số an toàn FS Giá trị của hệ số an toàn được lấy là 1,67 đối với các trường hợp chịu lực cơ bản: kéo,uốn

2.3.2 Tải trọng kế sử dụng trong thiết kế

2.3.2.1 Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam

Tải trọng dùng trọng thiết kế được lấy theo TCVN 2737:1995 hoặc tiêu chuẩn thay thế tiêu chuẩn trên (nếu có)

Khi tính kết cấu theo các tới hạn về khả năng chịu lực thì dùng tải trọng tính toán

là tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số độ tin cậy về tải trọng Q Khi tính kết cấu theo trạng thái tới hạn về sử dụng và tính toán về mỏi thì dùng trị số của tải trọng tiêu chuẩn Các trường hợp tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời (dài hạn, ngắn hạn

và đặt biệt) tuỳ theo thời gian tác dụng của chúng:

Tải trọng và tác động thường xuyên bao gồm : Trọng lượng bản thân của kết cấu chịu lực, trọng lượng của một bộ phận nhà hoặc công trình được đỡ bằng các kết cấu chịu lực, trọng lượng và áp lực của đất, tác dụng của ứng suất trước, ứng lực tạo ra do việc khai thác mỏ

Tải trọng tạm thời dài hạn gồm có: trọng lượng vách ngăn tạm thời, trọng lượng phần đất và bê tông đệm dưới thiết bị, trọng lượng của máy móc và thiết bị cố định, trọng lượng của chất lỏng và các vật liệu rời trong các thùng chứa, tải trọng lên sàn của các nhà kho, trọng lượng của sách trong thư viện, tác dụng dài hạn do nhiệt độ của các thiết bị, trọng lượng của các lớp bụi sản xuất bám vào kết cấu, trọng lượng của nước trên mái có cách nhiệt bằng nước, ứng lực trước trong các kết cấu ứng suất trước…

Tải trọng tạm thời ngắn hạn gồm có: trọng lượng người, vật liệu sữa chữa, phụ kiện, dụng cụ và đồ gá lắp trong phạm vi phục vụ và sữa chữa thiết bị; tác dụng của cầu trục; tác dụng của gió, trọng lượng của người, đồ đạc…

Tải trọng đặc biệt gồm có: tác động của động đất, của vụ nổ lên công trình, tải trọng do vi phạm quá trình công nghệ, do thiết bị trục trặc, hư hỏng tạm thời, tác động của biến dạng nền gây ra do thay đổi cấu trúc đất nền, tác động do biến dạng của mặt đất ở vùng có nứt đất, do ảnh hưởng của việc khai thác mỏ và do hiện tượng caxtơ Các hệ số vượt tải là nhằm kể đến sự xê dịch sai khác của trị số tải trọng hoặc kể đến sự vượt quá điều kiện sử dụng bình thường của kết cấu

Tác dụng đồng thời của một số tải trọng đạt giá trị cực đại thường ít xảy ra Vì vậy ở các tổ hợp tải trọng cần phân biệt tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt để nhân các

hệ số này tương ứng với xác xuất xảy ra của chúng

Tổ hợp cơ bản bao gồm tất cả các tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn và tải trọng tạm thời ngắn hạn gây bất lợi cho kết cấu hoặc bộ phận kết cấu Các tổ hợp tải trọng tính toán được biểu diễn bằng công thức sau:

CBI: ngG + npi.Pi và CBII: ngG + 0,9∑npi.Pi (2.8) Trong đó: G – tĩnh tải (hoặc tải trọng thường xuyên) với ng - hệ số vượt tải của tĩnh tải G;

Pi Hoạt tải thứ i với npi - hệ số vượt tải tương ứng với hoạt tải Pi

Tổ hợp tải trọng đặc biệt gồm tất cả tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn, tải trọng tạm thời ngắn hạn có thể xảy ra và một trong các tải trọng đặc biệt Tổ hợp tải trọng đặc biệt có một tải trọng tạm thời thì giá trị của tải trọng tạm thời được lấy toàn bộ Khi tổ hợp tải trọng đặc biệt có hai tải trọng tạm thời trở lên, giá trị tải trọng đặc biệt được lấy không giảm, giá trị tính toán của các tải trọng tạm thời (hoặc nội lực tương ứng của chúng) được nhân với hệ số tổ hợp là 0,95 với tải trọng tạm thời dài hạn là 0,8 với tải trọng tạm thời ngắn hạn (trừ những trường hợp ngoại lệ đã được nêu trong tiêu chuẩn động đất)

2.3.2.2 Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn châu Âu:

Theo Hội nghị chuyên đề “Hệ thống tiêu chuẩn châu Âu và sự thực hiện” ngày 26-27 tháng 4 năm 2007 (The Seminar – The Eurocode system and implementation –

EN 1990: Eurocode: Basis of Structure Design, EN 1991: Eurocode 1: Action on Structures, 26-28 April 2007, 16 Imvrou Street, 1055 – Nicosia, Cyprus), thì cơ sở thiết kế và tải trọng thiết kế được quy định như sau:

- EN 1990: Cơ sở thiết kế (Basis of Structure Design)

- EN 1991: Tải trọng trên kết cấu đối với nhà và các công trình khác (Eurocode 1: Actions on Structure related to buildings and other structures) Được phân chia thành các thành phần sau:

+ EN 1991-1-1: Các khối lượng riêng, trọng lương bản thân, tải trọng áp đặt

(Densities, self-weight and imposed loads)

+ EN 1991-1-2:

+ EN 1991-1-3: Tải trọng tuyết (Snow loads)

+ EN 1991-1-4: Tải trọng gió (Wind loads)

+ EN 1991-1-5: Tác động của nhiệt độ (Thermal actions)

+ EN 1991-1-6: Tác động của quá trình thi công (Actions during execution) + EN 1991-1-7: Những tác động ngẫu nhiên (Accidental Actions)

Tải trọng và tác động để thiết kế kết cấu thép theo EN 1993-1-1:2005 (dựa trên

cơ sở của EN 1991)

a) Tải trọng thường xuyên và tải trọng áp đặt:

Nội dung cơ bản của EN 1991-1-1 (April 2002) gồm các phần sau:

Lời nói đầu (Foreword)

Phần 1 Những vấn đề chung (Section 1 General)

Phần 2 Phân loại tác động (Section 2 Classification of actions)

Phần 3 Những tình huống thiết kế (Section 3 Design situations)

Phần 4: Dung trọng kết cấu và vật liệu lưu trữ (Section 4 Densities of construction and stored materials)

Phần 5: Trọng lượng bản thân của các công trình xây dựng (Section 5 weight of construction works)

Self-Phần 6: Tải trọng sử dụng trên công trình (Section 6 Imposed loads on building) Phụ lục A Bảng trọng lượng riêng danh nghĩa của vật liệu kết cấu và dung trọng, góc ma sát trong của vật liệu lưu trữ

Phụ lục B Hàng rào ngăn và tường phòng hộ trong bãi đỗ

Bảng trọng lượng riêng của vật liệu kết cấu và vật liệu lưu trữ được tiêu chuẩn

EN 1991-1-1 giới thiệu tại phụ lục A rất chi tiết từ bảng A.1 đến bảng A.12

Về tải trọng sử dụng (tải trọng áp đặt) được EN 1991-1-1: 2002 chia theo đặc điểm của công năng sử dụng như là:

- Diện tích trong nhà ở riêng, công cộng, thương mại, kinh doanh, nhà hành chính;

- Diện tích làm kho và các hoạt động công nghiệp;

- Diện tích sử dụng giao thông và xe cộ đi lại (ngoại trừ cầu);

- Diện tích làm mái

Trong mỗi loại công năng sử dụng lại được chia thành các loại A, B, C, D Ứng với mỗi loại này có giá trị tải trọng tập trung và phân bố khác nhau Ví dụ diện tích trong các công trình nhà ở, công cộng, thương mại, nhà quản lý điều hành được phân chia theo loại tra trong Bảng 2.2 và giá trị tải trọng phân bố, tải trọng tập trung tra theo Bảng 2.3

C3: Những diện tích không cản trở đi lại.

Ví dụ: Những diện tích trong viện bảo tàng, phòng trưng bày v.v Diện tích lối vào trong các công trình công cộng, nhà hành chính, khách sạn, bệnh viện, sân trước của ga tàu hoả

C4: Diện tích có các hoạt động thân thể.

Ví dụ: Phòng nhảy, phòng tập thể dục, sân khấu

C5: Diện tích xảy ra các đám đông lớn.

Ví dụ: Trong công trình với sự kiện công cộng như phòng hoà nhạc, hội trường thể thao bao gồm: Chỗ đứng, sân thượng và diện tích lối vào sân ga

D2: Diện tích trong cửa hàng bách hoá.

Bảng 2.3 Tải trọng áp đặt trên sàn, ban công, cầu thang

Loại A

- Trên sàn

- Trên cầu thang

- Trên ban công

b) Tải trọng gió theo dự thảo tiêu chuẩn prEn 1991-1-4: 2004

Tiêu chuẩn prEn 1991-1-4: 2004 sẽ thay thế tiêu chuẩn ENV 1991-2-4: 1995 về tác động của gió:

Cơ cấu tiêu chuẩn 147 trang, bao gồm những nội dung sau:

- Phần 1: Những vấn đề chung (General)

- Phần 2: Các tình huống thiết kế (Design situations)

- Phần 3: Mô hình hoá tác động của gió (Modelling of wind actions)

- Phần 4: Vận tốc gió và áp lực động (Wind velocity and velocity pressure)

- Phần 5: Tác động của gió (Wind actions)

- Phần 6: Hệ số kết cấu cscd (Structural factor cscd)

- Phần 7: Áp lực và hệ số áp lực (Pressure and force coefficients)

- Phần 8: Những tác động của gió lên cầu (Wind actions on bridges)

- Phụ lục A – Ảnh hưởng của địa hình (terrain effects)

- Phụ lục B – Phương pháp 1 để xác định hệ số kết cấu cscd (Procedure 1 for determining the structural factor cscd)

- Phụ lục C – Phương pháp 2 để xác định hệ số kết cấu cscd (Procedure 2 for determining the structural factor cscd)

- Phụ lục D – Giá trị cs cd cho các dạng khác nhau của kết cấu (cscd values for

different types of structures)

- Phụ lục E - Loại bỏ xoáy và ổn định khí ngoài đàn hồi (Vortex shedding and aeroelastic instabilities)

- Phụ lục F - Những đặc trưng động của kết cấu (dynamic characteristics of structures)

Vận tốc gió được xác định là giá trị trung bình trong 10 phút, không kể hướng gió, lấy số liệu trong thời gian một năm, độ cao 10 m

c) Hệ số vượt tải và tổ hợp tải trọng

Theo tiêu chuẩn Eurocode3 phân tải trọng tác động F làm hai loại:

- Tải trọng thường xuyên (G) Ví dụ: trọng lượng bản thân kết cấu, tải trọng sử dụng

- Tải trọng thay đổi theo thời gian (Q) Ví dụ: Tải trọng gió, tải trọng tuyết…

- Tải trọng bất thường, ví dụ: Tải trọng động đất, tải trọng do vụ nổ…

Với mỗi loại tải trọng đều có hệ số an toàn tải trọng:

GK,i - Giá trị tiêu chuẩn của tải trọng thường xuyên

QK,1 - Giá trị tiêu chuẩn của một loại tải trọng thay đổi

QK,i - Giá trị tiêu chuẩn của các tải trọng thay đổi khác

Ad – Giá trị tính toán của tải trọng bất thường

G,i - hệ số an toàn của tải trọng thường xuyên GK,i

Q,i - hệ số an toàn của tải trọng thay đổi QK,i

Trong thiết kế thường lấy G = 1,0 – 1,35; Q = 1,5

Đối với các công trình nhà cửa, công thức (2.9) có thể biểu diễn đơn giản hơn như sau:

Khi chỉ quan tâm duy nhất một loại tải trọng thay đổi bất lợi:

i

G Q (2.12) Khi quan tâm đến tất cả các loại tải trọng thay đổi bất lợi:

Khi thiết kế theo trạng thái giới hạn thứ 2 (trạng thái giới hạn về sử dụng), sử dụng các tổ hợp tải trọng sau:

Hai công thức (2.17) và (2.18) cũng có thể được dùng thay cho công thức (2.15)

2.3.2.3 Tải trọng thiết kế theo Quy phạm Hoa Kỳ AISC 360-10

a) Tổ hợp tải trọng theo phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng LRFD

Tổ hợp tải trọng và các hệ số tải trọng đã được nghiên cứu bằng các phương pháp xác suất và đã được quy định trong nhiều tiêu chuẩn khác nhau Một trong những tiêu chuẩn về tải trọng uy tín nhất là tiêu chuẩn ASCE 7 của Hiệp hội kỹ sư xây dựng Hoa

Kỳ Quy phạm AISC 360-10 qui định sử dụng ASCE 7 năm 2010 (ASCE 7-10) khi không bị chi phối bởi các tiêu chuẩn của luật xây dựng địa phương

Các tổ hợp tải trọng của phương pháp LRFD dựa theo ASCE 7-10 như sau: (1) 1,4D

L = hoạt tải do người và các thiết bị di động

Lr = hoạt tải trên mái

b) Tổ hợp tải trọng theo phương pháp độ bền cho phép ASD:

Tổ hợp tải trọng cần kiểm tra khi thiết kế theo phương pháp ASD được qui định trong tiêu chuẩn ASCE 7-10 như sau:

Khi tính độ võng: D + L

Khi tính chuyển vị ngang do gió: D + 0,5L + Wa

Với Wa là tải trọng gió dựa trên tốc độ gió để tính chuyển vị Tốc độ này dựa trên chu

kỳ gió lặp 10 năm hay 50 năm hay 100 năm, tùy thuộc tầm quan trọng của công trình

2.3.3 Vật liệu thép sử dụng theo các tiêu chuẩn thiết kế

2.3.3.1 Vật liệu thép theo tiêu chuẩn Việt Nam

Vật liệu thép dùng trong kết cấu phải được lựa chọn thích hợp tuỳ theo tính chất quan trọng của công trình, điều kiện làm việc của kết cấu, đặc trưng của tải trọng và phương pháp liên kết, v.v Về ký hiệu theo TCVN 1765:1975 thép các bon thông thường ký hiệu là CT, hai số sau là giới hạn bền tối thiểu khi kéo đứt tính bằng kG/mm2 (kN/cm2)

Căn cứ theo công dụng, thép được chia làm 3 nhóm: Nhóm A, thép thuộc nhóm này phải đảm bảo tính chất cơ học; nhóm B phải đảm bảo thành phần hoá học; nhóm C phải đảm bảo cả thành phần hoá học và tính năng cơ học Thép dùng làm kết cấu chịu lực có mác tương đương với các mác thép CCT34, CCT38 (hay CCT38Mn), CCT42

và các mác tương ứng của TCVN 5709:1993, các mác thép hợp kim thấp theo TCVN 3104:1979 Không dùng thép sôi cho các kết cấu hàn làm việc trong điều kiện nặng hoặc trực tiếp chịu tải trọng động như dầm cầu trục chế độ nặng, dầm sàn đặt máy, kết cấu hành lang băng tải, cột vượt của đường dây tải điện cao trên 60m, v.v

Cường độ tính toán của vật liệu thép cán và thép ống đối với các trạng thái ứng suất khác nhau được tính theo công thức của Bảng 2.5 Trong bảng này fy và fu là ứng suất chảy và ứng suất bền kéo đứt của thép, được đảm bảo bởi tiêu chuẩn sản xuất thép

và được lấy là cường độ tiêu chuẩn của thép; M là hệ số độ tin cậy về vật liệu, lấy bằng 1,05 cho mọi mác thép Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính toán f của thép các bon cho trong Bảng 2.6 (với các giá trị lấy tròn đến 5N/mm2

)

Đối với các loại thép không nêu tên trong tài liệu này và các loại thép của nước ngoài được phép sử dụng theo Bảng 2.5, lấy fy là ứng suất chảy nhỏ nhất và fu là ứng suất bền kéo đứt nhỏ nhất của thép, M là hệ số độ tin cậy về vật liệu , lấy bằng 1,1 cho mọi mác thép

Bảng 2.5 Cường độ tính toán của thép cán nóng và thép ống

Bảng 2.6 Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính toán của thép các bon

không phụ thuộc vào bề dày t (mm)

2.3.3.2 Vật liệu thép theo tiêu chuẩn Châu Âu

Nhiều năm về trước, thép châu Âu đã dùng tiêu chuẩn chung EN thay thế cho tiêu chuẩn từng nước như NF của Pháp, BS của Anh

Thép kết cấu sử dụng trong thiết kế theo tiêu chuẩn EN 1993-1-1:2005 được lấy theo Bảng II.21 (trích từ bảng 3.1 - EN 1993-1-1:2005, trang 26, 27) Đối với vật liệu thép khác và các sản phẩm được xem trong phụ lục quốc gia (see National Annex) Các mác thép thường dùng là S235, S275, S355, S450 v.v .con số đi sau để chỉ giới hạn chảy của thép (N/mm2

)

Bảng 2.7 Giá trị danh nghĩa của giới hạn bền fu giới hạn chảy f y của

Giá trị thiết kế của các hằng số vật liệu của thép:

2.3.3.3 Vật liệu thép theo Quy phạm Hoa Kỳ

Quy phạm liệt kê gần 20 loại thép tiêu chuẩn ASTM được sử dụng trong kết cấu nhà Một số loại thép theo 04 nhóm chính:

- Thép Cacbon: A36/A36M là thép cacbon thấp được sử dụng rộng rãi trong các kết cấu xây dựng; A53/A53M là thép cacbon thấp sử dụng chủ yếu cho thép ống hàn

hoặc không mạch nối để trần hay mạ kẽm; A500 và A501 là thép ống tròn, vuông hay chữ nhật tạo hình nguội A500 hoặc cán nóng A501; A529/A529M là thép hợp kim mangan có dạng tấm và thanh nhỏ

- Thép hợp kím thấp cường độ cao: A573/A572M là loại thép hợp kim thấp cường độ cao rất thông dụng trong thép h nh và thép tấm; các loại hợp kim thấp cường

độ cao như A242/A242M, A588/A588M

- Thép hợp kim và hợp kim thấp được nhiệt luyện: A852/A852M, A514/A514M các thép này có tính năng cơ học rất cao, có sản phẩm là thép tấm và được dùng chủ yếu cho cầu hàn

- Thép dùng làm cầu: A709/A709M nhóm này bao gồm nhiều loại thép khác nhau như thép cacbon, thép hợp kim thấp cường độ cao, thép hợp kim, thép nhiệt luyện

Bảng 2.8 Tính chất một số loại thép được chấp thuận sử dụng theo Quy phạm AISC

Tên gọi theo ASTM ksi

(kN/cm2)

ksi (kN/cm2)

63(43,5) 67(46) 70(48)

Dày từ 40 đến 200mm Dày từ 20 đến 40mm Dày đến 20mm

45(31,0) 58(40) 62(42,7) 45(31) 58(40) 62(42,7)

Dày từ 65 đến 150mm Dày đến 65mm

50(34,5)

60-85(41,4-58,6)

Dày đến 13mm