Luận văn thạc sĩ 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

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂNTÍNH 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 ng

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

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

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

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

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN

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

3.1.1 Tính toán theo TCVN 5575:2012

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

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

3.1.4 Tính toán với một số ví dụ khác

3.1.5 Nhận xét

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

3.2.1 Tính toán theo TCVN 5575:2012

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

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

3.2.4 Tính toán với một số ví dụ khác

3.2.5 Nhận xét

3.3 Nhận xét chung

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 rỗngchịu nén đúng tâm và lệch tâm theo tiêu chuẩn Việt Nam, Quy phạm Hoa Kỳ và tiêuchuẩn Châu Âu, so sánh được khả năng chịu lực tới hạn của cấu kiện thép tiết diện rỗngtrong hai trường hợp nén đúng tâm và nén lệch tâm giữa ba tiêu chuẩn Kết quả là cấukiện tiết diện rỗng chịu nén đúng tâm tính theo Quy phạm Hoa Kỳ lớn hơn tiêu chuẩnViệt Nam và nhỏ hơn tiêu chuẩn châu Âu; cấu kiện tiết diện rỗng nén lệch tâm tính theoQuy phạm Hoa Kỳ nhỏ hơn tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Châu Âu Từ đó đưa racông thức tính giá trị lực tới hạn gần đúng đơn giản nhất phục vụ cho bài toán thiết kế sơ

bộ ban đầu

Từ khóa - tính thanh thép rỗng, nén đúng tâm, nén lệch tâm, Việt Nam, Châu Âu, Hoa

Kỳ

CALCULATION OF HOLLOW STEEL BARS SUBJECT TO PROPER

COMPRESSION AND ECCENTRICITY IN ACCORDANCE WITH TCVN 5575:

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 crosssection with the right center and eccentric compression according to Vietnam standards,

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

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

Vietnam, Europe, United States

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,

y-ycác mômen quán tính của tiết diện nguyên đối với các trục tươngứng x-x, y-y

các mômen quán tính của tiết diện nguyên đối với các trục tươngứng x-x, y-y

chiều dài tính toán của cấu kiện chịu nénchiều dài tính toán của cấu kiện trong các mặt phẳng vuông góc với các trục tương ứng x-x, y-y

môđun chống uốn (mômen kháng) của tiết diện nguyên đối với các trục tương ứng x-x, y-y

môđun chống uốn (mômen kháng) nhỏ nhất của tiết diện thực đối với các trục tương ứng x-x, y-y

môđun chống uốn dẻo của tiết diện môđun chống uốn đàn hồi nhỏ nhât môđun chống uốn đàn hồi hữu hiệu nhỏ nhất

M mômen uốn

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

MEd giá trị thiết kế của mômen uốn

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

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

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 tâme

độ lệch tâm tương đối

độ lệch tâm tương đối tính đổi

hệ số điều kiện làm việc của kết cấu

hệ số độ tin cậy về cường độ

hệ số độ tin cậy về tải trọng

hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện

độ mảnh của cấu kiện

độ mảnh qui ước ( f / E

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

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

hệ số mômen phân bố đều tương đương

hệ số không hoàn chỉnh

hệ số độ xét đến hình dạng tiết diện

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

hệ số giảm tuỳ theo dạng đường cong uốn dọc (trục y) hệ số giảm tuỳ theo dạng đường cong uốn dọc (trụcz-z) các hệ số tương t

y-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 ksi56 Bảng 2.22: Ứng suất cho phép của cấu kiện nén làm bằng thép có ứng suất chảy quy định là 50 ksi57 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 xâydựng do có những đặc tính ưu việt như chịu lực tốt, bền bỉ, độ đồng nhất cao, dễ lắpđặt, 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 tàiliệu trong nước còn hạn chế, ở nước ta đang sử dụng nhiều loại tài liệu, tiêu chuẩnkhác 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 kiệnthép tiết diện rỗng chịu nén theo tiêu chuẩn Việt Nam, tiêu chuẩn Châu Âu và Quyphạm Hoa Kỳ

2 Mục đích nghiên cứu

Áp dụng tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575 – 2012, tiêu chuẩn Châu Âu EN1993-1-1:2005 và Quy phạm Hoa Kỳ AISC 360-10 để tính toán cấu kiện thép chịu néntiết diện rỗng

Nghiên cứu lý thuyết tính toán của cấu kiện thép tiết diện rỗng chịu nén theo tiêuchuẩn 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 xâydựng hiện nay Lý thuyết và ví dụ tính toán sẽ là nguồn tài liệu tham khảo hữu ích chongười đọc

6. Kết quả đạt được

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

So sánh được khả năng chịu lực tới hạn của cấu kiện thép tiết diện rỗng tronghai trường hợp chịu nén đúng tâm và chịu nén lệch tâm giữa ba tiêu chuẩn: tiêu chuẩnViệt 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 cắtvành khăn); hình vuông, chữ nhật, tam giác, elip, lục giác, bát giác…Phổ biến nhất làcác tiết diện thép ống hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật Ống tròn gọi là tiết diệntròn 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)

z d

Khi thiết kế có thể thay đổi độ bền của cấu kiện mà không thay đổi chiều rộnghay 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 ănmòn Không gian bên trong cho phép kết hợp chức năng chịu lực với các ứng dụngkhác như chống cháy, thông gió, sưởi…Việc sử dụng hợp lí tiết diện rỗng tạo điều kiệncho 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 cấuchịu tải trọng thuỷ động hoặc khí động, các trường hợp khác nên sử dụng thanh rỗngtiết 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 cườngnên không quá phức tạp trong thi công

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 kiệmhơn

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

S235 S275 S355 S460

Ký hiệu chung Snnn: Trong đó S là viết tắt của structure (kết cấu), nnn chỉ sốbiểu thị giới hạn chảy của thép (N/mm2) S235 là thép cacbon thấp phổ thông, S275 làthép cacbon thấp có cường độ khá cao được lấy làm cấp thép cơ bản Có thể so sánhtương 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]

EN S235 S275 S355

Thép hình mỗi nước có đặc trưng hình học rất khác nhau dù cùng là 1 kích cỡnên không thể thay thế thép hình nước này bằng thép hình nước khác dù là cùng kíchcỡ.

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 xuấtthép hình rỗng bằng tạo hình nguội Có thể xét đến sự tăng giới hạn đàn hồi do cứngnguội như sau: Giới hạn đàn hồi trung bình fya đựoc xác định bằng thực nghiệm trênnhững tiết diện thực hoặc theo công thức:

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 đạilượng quyết định khả năng chịu lực của tiết diện

1.1.4.2 Dàn lưới không gian

Gồm các phần tử giống nhau được lặp lại (gọi là môđun - cấu trúc tinh thể), ghépvới 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 haychịu kéo Liên kết các thanh của kết cấu không gian đòi hỏi các nút đặc biệt (nút cầuhoặc nút trụ)

Kết cấu giàn lưới không gian có những ưu điểm vượt trội: kết cấu nhẹ, khả năngvượt nhịp lớn, có thể sử dụng thép cường độ cao, tiết kiệm vật liệu, có độ cứng khônggian lớn, độ ổn định cao, có tính thẩm mỹ, thích ứng được với nhiều loại công trìnhvới các dạng mặt bằng kiến trúc khác nhau, dễ môđun hoá, thuận tiện cho việc côngnghiệp 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 cótrên 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 cáchnhồi bê tông

Ưu điểm cơ bản của kết cấu hỗn hợp là tăng độ ổn định cục bộ cũng như tổng thểcủa kết cấu, khả năng biến dạng tốt hơn kết cấu bê tông cốt thép nên phát huy ưu điểmtrong kháng chấn, phương pháp thi côg hiện đại, hiệu quả kinh tế cao Tăng khả năngchịu 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 nhiềuứng dụng thực tế các dạng kết cấu thép sử dụng tiết diện rỗng vào Việt Nam Đó là cácloại công trình nhịp lớn, có hình dạng đặc biệt, yêu cầu thi công nhanh như cầu vượtbằng thép, nhà ga, nhà triển lãm…Cấu kiện tiết diện rỗng được sử dụng trong các kếtcấu tháp thép, trụ thép như những thanh của dàn phẳng, dàn không gian trong các kếtcấu giàn khoan dầu khí, dàn cầu đường sắt…

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

- Nhà máy ống thép Việt - Đức (VG pipe) được xây dựng tại khu công nghiệpBình 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 sảnphẩm 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 HồChí Minh với diện tích nhà xưởng 100.000m2 với công suất thiết kế 100.000 tấn thànhphẩm/năm

- Công ty thép ống Việt Nam (Vinapipe) là liên doanh sản xuất ống thép giữaTổng công ty thép Việt Nam (VSC) với hai tập đoàn thép hàng đầu của Hàn Quốc làSEAH 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 nhịplớn 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 côngtrình 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 cánnóng thép hình truyền thống dạng I, L hoặc U các thanh thép hình rỗng tiết diện tròncũng đã được chế tạo, sản xuất Trong khi việc chế tạo, sản xuất thép hình rỗng hìnhchữ nhật chỉ xuất hiện trong những năm 50 và nhanh chóng phát triển trong nhữngnăm 60

Kết cấu thép sử dụng thanh tiết diện rỗng chữ nhật, tròn ngày càng được sử dụngrộng rãi và trở nên phổ biến Hiện nay đã có nhiều công trình ứng dụng loại kết cấunày, chủ yếu là cho các công trình nhịp lớn, kết cấu nhẹ như: Phòng trưng bày triểnlãm, 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 trênthế 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) hoặctiết diện ống tròn (tròn hay chữ nhật) Loại tiết diện này đối xứng hai trục nên khi chịulực không xảy ra oằn xoắn, độ cứng uốn theo hai trục không khác nhau nhiều nên chịulực tốt theo cả hai phương Dùng tiết diện chữ I thường (tiết diện S) cho cấu kiện nénkhông có lợi vì độ cứng đối với trục yếu của tiết diện là rất nhỏ Ngoài ra, cũng có thểdùng các tiết diện C, T (ghép hai thép góc) hoặc các tiết diện không đối xứng khác chocác cấu kiện chịu nén Khi đó phải xét vấn đề oằn uốn xoắn của cấu kiện Các cấu kiệnrỗng tổ hợp được áp dụng có lợi khi có chiều dài lớn, hay khi muốn đảm bảo độ chịulực đồng đều theo các phương

Một cấu kiện chịu nén đúng tâm, ngoài việc bị phá hoại về chảy dẻo như cấu kiệnchịu 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 cáctrường hợp chỉ có thể bị oằn do uốn dọc, c n với tiết diện 1 trục đối xứng hoặc với tiếtdiện bất kì không đối xứng có thể bị oằn theo cả ba cách

2.1.2 Lực tới hạn Euler

Cấu kiện nén đúng tâm sẽ mất ổn định do uốn dọc khi lực nén đạt giá trị lực giớihạn, xác định theo công thức Euler quen thuộc:

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 làchiều dài tính toán (hay chiều dài oằn) của cấu kiện, là chiều dài quy đổi về một cấukiện hai đầu liên kết khớp (tức là K=1) để có cùng lực tới hạn Euler Ứng suất tới hạnEuler là:

Đặt r2= I/A là bán kính quán tính đối với trục yếu của tiết diện, và gọi KL/r là độmảnh của cấu kiện, ta có:

(

(2.3)

Đây là công thức kinh điển của ứng suất tới hạn Euler theo độ mảnh Đườngcong quan hệt Fe và KL/r là một đường hyperbol thường gọi là hyrperbol Euler Côngthức Euler được lập với giả thiết mô đun đàn hồi E là không đổi tức là chỉ đúng khi vậtliệu 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

l0

(2.4)

i

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 théphình rỗng thường lớn hơn nhiều so với bán kính quán tính của tiết diện hở Với mộtchiều dài cho trước, bán kính quán tính lớn sẽ làm cho độ mảnh giảm, từ đó khả năngchịu 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 dạnghình học của thép hình, ứng suất dư, mức độ không đồng nhất của vật liệu thép vàquan 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 cấukim loại, Eurocode 3 đã thiết lập “những đường cong uốn dọc” đối với các loại théphình 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 bềndẻo của tiết diện Npl, Rd;

N

b , Rd

N

pl , Rd

y

z

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

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 rỗngtốt hơn khi tỉ số giữa kích thước ngang và chiều dày thành tăng lên Tuy nhiên sự tăngnày dẫn tới nguy cơ phá hoại do oằn cục bộ của thành tiết diện rỗng Để tránh nguy cơnày, 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 theotrạng thái giới hạn (TTGH)

Mục đích của việc tính toán kết cấu là đảm bảo cho kết cấu không bị vượt quátrạng thái giới hạn khiến cho chúng không thể sử dụng được nữa, trong khi vẫn đảmbảo 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 mãncác yêu cầu sử dụng hoặc dựng lắp Đối với kết cấu chịu lực người ta xét các trạng tháigiới 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 ổnđịnh; mất cân bằng vị trí; kết cấu bị biến đổi hình dạng Với các trạng thái này, kết cấukhông thể sử dụng được nữa.

Nhóm TTGH thứ hai gồm những trạng thái làm cho không sử dụng bình thườngđược nữa (sử dụng bình thường là sử dụng đúng yêu cầu của nhiệm vụ thiết kế màkhông gặp khó khăn gì, không cần sửa chữa thêm gì) hoặc làm giảm tuổi thọ côngtrình 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 hạntrong 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 kémnhất

Đối với nhóm TTGH thứ nhất, điều kiện an toàn về khả năng chịu lực có thể viếtdưới 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 Ngây bởi tải trọng tính toán, đó là tải trọng lớn nhất có thể có trong thời gian đó Tảitrọng 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 vàđược quy định trong tiêu chuẩn) với hệ số độ tin cậy về tải trọng Q (xét đến khả năngtải 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 độquan trọng của công trình

Khi có nhiều tải trọng (Pi) tác dụng đồng thời, phải tính toán với tổ hợp bất lợinhất của tải trọng Xác suất để xuất hiện đồng thời nhiều tải trọng mang giá trị lớnnhất 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

N

Trong đó: N

i - nội lực do Pi = 1Khả năng chịu lực S là nội lực giới hạn mà cấu kiện có thể chịu được, nó phụthuộc các đặc trưng hình học của tiết diện cấu kiện và các đặc trưng cơ học của vậtliệu 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 làmviệc c Cường độ tính toàn f bằng cường độ tiêu chuẩn của vật liệu chia cho hệ số độtin cậy về cường độ M Cường độ tiêu chuẩn của vật liệu fy chính là giới hạn chảy σc

m, khi tính theo giới hạn bền.

Như vậy, khả năng chịu lực S viết là

hoặc trường hợp hai

S

Trong đó: u - hệ số an toàn đối với cấu kiện tính theo giới hạn bền,

Đối với nhóm TTGH thứ hai, điều kiện giới hạn phải đảm bảo là

đó ∆ - biến dạng hay chuyển vị của kết cấu dưới dạng tác dụng của các tải trọng tiêuchuẩn trong những tổ hợp bất lợi nhất Nếu δi là biến dạng gây bởi tải trọng đơn vị thì

P i c n n c i

là biến dạng lớn nhất cho phép để kết cấu có thể sử dụng bình thường, đượcquy định trong tiêu chuẩn hay trong nhiệm vụ thiết kế

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 chịulực, sử dụng tải trọng tính toán là tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số Q (gọi là hệ sốvượt 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 cáckết cấu thuộc những trường hợp nêu trong bảng 3 - TCXDVN 5575:2012, cường độtính toán của thép và của liên kết phải được nhân với hệ số điều kiện làm việc để kểđến 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

giới hạn về khả năng chịu lực (trạng thái giới hạn thứ nhất) là các trạng thái kết cấukhông còn đủ khả năng chịu lực, sẽ bị phá hoại, sụp đổ hoặc hư hỏng do biến dạng quálớn hoặc do hư hỏng cục bộ làm nguy hại đến sự an toàn của con người, của côngtrình; 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 dụngcông trình; 2 - Làm hỏng sự hoàn thiện của kết cấu; 3 - Làm ảnh hưởng đến việc sửdụng 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

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 tắccủa thiết kế theo trạng thái giới hạn là khi chịu các tổ hợp tải trọng quy định, kết cấukhông 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 đánhgiá độ an toàn của kết cấu Yêu cầu của thiết kế thép phương pháp LRFD là độ bềnthiết kế (tức là độ bền danh nghĩa nhân với hệ số kháng) của mỗi cấu kiện phải lớn hơnhay 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 cáccông 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 phápLRFD

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

tăng bằng hệ số

là tổng của các tác dụng của tải trọng đã được gia

Có một hệ số xét đến sự biến động của các sức kháng R có quan hệ đến sự biếnđộng của ảnh hưởng của tải trọng Q gọi là hệ số kháng R và Q là các đại lượng biếnngẫu nhiên, sự phân phối xác suất của chúng có thể đưa về dạng phân phối chuẩn Kếtcấu 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 đượcvượt 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 kếtcấu không được vượt quá ứng suất cho phép đã qui định Ứng suất cho phép là ứngsuất giới hạn có thể có trong kết cấu (như Fy, Fu) chia cho hệ số an toàn FS Giá trịcủa 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 chuẩnthay 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 theotrạng thái tới hạn về sử dụng và tính toán về mỏi thì dùng trị số của tải trọng tiêuchuẩn 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 cấuchịu lực, trọng lượng của một bộ phận nhà hoặc công trình được đỡ bằng các kết cấuchịu lực, trọng lượng và áp lực của đất, tác dụng của ứng suất trước, ứng lực tạo ra doviệc khai thác mỏ

Tải trọng tạm thời dài hạn gồm có: trọng lượng vách ngăn tạm thời, trọng lượngphần 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 củacác nhà kho, trọng lượng của sách trong thư viện, tác dụng dài hạn do nhiệt độ của cácthiết bị, trọng lượng của các lớp bụi sản xuất bám vào kết cấu, trọng lượng của nướctrên 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, phụkiện, dụng cụ và đồ gá lắp trong phạm vi phục vụ và sữa chữa thiết bị; tác dụng củacầu 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, tảitrọng do vi phạm quá trình công nghệ, do thiết bị trục trặc, hư hỏng tạm thời, tác độngcủa biến dạng nền gây ra do thay đổi cấu trúc đất nền, tác động do biến dạng của mặtđất 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 kểđến 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 Vìvậy 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 dàihạn và tải trọng tạm thời ngắn hạn gây bất lợi cho kết cấu hoặc bộ phận kết cấu Các tổhợp tải trọng tính toán được biểu diễn bằng công thức sau:

CBI: ngG + npi.Pi và CBII: ngG + 0,9∑npi.Pi

Trong đó: G – tĩnh tải (hoặc tải trọng thường xuyên) với ng - hệ số vượt tải củatĩnh 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 dàihạn, tải trọng tạm thời ngắn hạn có thể xảy ra và một trong các tải trọng đặc biệt Tổhợp tải trọng đặc biệt có một tải trọng tạm thời thì giá trị của tải trọng tạm thời đượclấy toàn bộ Khi tổ hợp tải trọng đặc biệt có hai tải trọng tạm thời trở lên, giá trị tảitrọng đặc biệt được lấy không giảm, giá trị tính toán của các tải trọng tạm thời (hoặcnội lực tương ứng của chúng) được nhân với hệ số tổ hợp là 0,95 với tải trọng tạm thờidài hạn là 0,8 với tải trọng tạm thời ngắn hạn (trừ những trường hợp ngoại lệ đã đượcnêu 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” ngày26-27 tháng 4 năm 2007 (The Seminar – The Eurocode system and implementation –

EN 1990: Eurocode: Basis of Structure Design, EN 1991: Eurocode 1: Action onStructures, 26-28 April 2007, 16 Imvrou Street, 1055 – Nicosia, Cyprus), thì cơ sởthiết 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 (Eurocode2: 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 Self-weight

of construction works)

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 hànhchính;

- 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 Ứngvới mỗi loại này có giá trị tải trọng tập trung và phân bố khác nhau Ví dụ diện tíchtrong các công trình nhà ở, công cộng, thương mại, nhà quản lý điều hành được phânchia theo loại tra trong Bảng 2.2 và giá trị tải trọng phân bố, tải trọng tập trung tra theoBảng 2.3

A, B và D

C

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

Loại diện tích đặt tải

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 sửdụng

- 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:

Lâu dài vàtạm thời

Tổ hợp tải trọng tính toán có thể biểu diễn theo công thức sau:

K ,iQ ,1G

K ,1 i

Trong đó:

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

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

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

K ,i i

Khi quan tâm đến tất cả các loại tải trọng thay đổi bất lợi:

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