PHÂN TÍCH NỘI LỰC KHUNG THÉP NHÀ DÂN DỤNG CÓ KỂ ĐẾN BIẾN DẠNG THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EC3
Sự phát triển lớn mạnh, nhanh chóng của nền kinh tế nước ta đòi hỏi phải xây dựng nhanh nhất, chất lượng tốt nhất hàng loạt các nhà nhịp lớn cho xưởng sản xuất, công trình văn hóa thể thao và các nhà cao tầng cho công sở, chung cư… Do những ưu điểm vượt trội về khả năng chịu lực lớn, về độ tin cậy cao, và đặc biệt là tính linh động trong áp dụng nên kết cấu thép đang và sẽ được ứng dụng ngày càng nhiều.
Kết cấu khung thép chế tạo và lắp ráp nhanh, không tốn ván khuôn, nhanh chóng đưa công trình vào sử dụng; có tiết diện cấu kiện bằng thép nhỏ nên tận dụng được nhiều nhất không gian sử dụng. Tuy nhiên, thép là vật liệu quý nên việc tiết kiệm kim loại luôn được đặt lên hàng đầu trong mục tiêu hạ giá thành.
Nhiệm vụ tiết kiệm thép, về cơ bản được giải quyết trong quá trình thiết kế. Sử dụng mô hình tính toán chính xác, để có nội lực đúng là một công việc có tác dụng lớn đến việc tiết kiệm thép. Theo truyền thống, người thiết kế thường tính toán nội lực theo sơ đồ ban đầu; sơ đồ này là đơn giản, dễ tính, nhưng làm như vậy sẽ cho nội lực không chính xác. Kể đến biến dạng làm thay đổi sơ đồ tính trong quá trình chịu lực, sẽ cho giá trị nội lực chính xác hơn, nhưng việc tính toán phân tích sẽ khó khăn hơn. Trước đây việc làm này là không thể; hiện tại, do kỹ thuật tính toán đã phát triển mạnh, cho phép phân tích kết cấu có kể đến sự thay đổi của sơ đồ tính (phân tích bậc 2).
2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận văn này nhằm làm rõ quy trình tính toán kết cấu khung thép theo phân tích bậc 2, chứng tỏ sự khác biệt so với phân tích bậc 1; tiến hành một số ví dụ bằng số để minh họa, như một tài liệu hướng dẫn thiết kế, nhằm giúp các kỹ sư thiết kế có một trình tự hướng đi đúng và tiện lợi
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Do yêu cầu và khuôn khổ về thời gian và điều kiện, Luận văn này chỉ hạn chế việc khảo sát các khung thông dụng bằng thép, tiết diện đặc, chịu tải trọng tĩnh.
Luận văn tiến hành các ví dụ bằng số để minh họa cách tính, trình tự tính; so sánh, phân tích, nhận xét về sự phân bố nội lực và ứng xử của các tiết diện, cấu kiện giữa hai cách phân tích
Luận văn tìm hiểu các quy định của các quy phạm, các tài liệu hướng dẫn của Tiêu chuẩn Châu Âu EC và Tiêu chuẩn Mỹ AISC về phương pháp thiết kế kết cấu khung thép có kể đến biến dạng trong quá trình chịu lực (phân tích bậc 2); tiến hành các ví dụ bằng số để so sánh ứng xử kkhi thay đổi số nhịp, số tầng của khung.
* Mục tiêu cần đạt được
Phân tích bậc 2 trong kết cấu thép, hiện vẫn còn khá xa lạ đối với đa số kỹ sư thiết kế; Đề tài này nhằm làm rõ quy trình tính toán kết cấu khung thép theo phân tích bậc 2, chứng tỏ sự khác biệt so với phân tích bậc 1; tiến hành một số ví dụ bằng số để minh họa. Kết quả và sự tiến hành của luận văn sẽ như một tài liệu hướng dẫn thiết kế, nhằm giúp các kỹ sư thiết kế có một trình tự hướng đi đúng và tiện lợi, nhằm đạt được hiệu quả kinh tế trong xây dựng..
Sự tiến hành này dựa trên cơ sở là hiện nay nhà nước ta cho phép thiết kế công trình không chỉ bằng TCVN mà có thể tiến hành theo một số Tiêu chuẩn thiết kế khác nữa; phổ biến nhất là dùng Tiêu chuẩn Mỹ AISC và Tiêu chuẩn Châu Âu EC. Luận văn này sẽ sử dụng EC3 trong phân tích khung thuần thép.
5. Bố cục luận văn: Với mục đích và tiêu chí nêu trên, luận văn bao gồm phần mở đầu, phần kết luận kiến nghị và ba chương chính sau đây:
– Chương 1: Tổng quan về vật liệu thép, sự làm việc của khung thép;
– Chương 2: Nguyên lý tính toán khung thép phân tích bậc 2 theo Quy định của Tiêu chuẩn châu Âu EC3;
– Chương 3: Ví dụ tính toán khung thép phân tích bậc 2 theo EC3
Trênthế giới việc áp dụng kết cấu khung bằng thép vào xây dựng công trình nhà được bắt đầu từ những năm 1940. Ban đầu là việc sử dụng các tiết diện thành dày, tiếp theo là việc áp dụng cấu kiện thành mỏng (từ năm 1946) để làm khung và sàn của nhà xưởng, nhà kho, nhà dân dụng, nhà nhiều tầng; cùng sử dụng kết hợp với các cấu kiện cán nóng có thành dày hơn để làm dầm, sàn, cột công trình.
Trong công cuộc cải cách, công nghiệp hoá và hiện đại hoá ngành xây dựng, kết cấu thép đóng một vai trò hết sức quan trọng. Việc áp dụng khoa học và công nghệ tiên tiến cũng như nghiên cứu, hoàn thiện phương pháp tính toán là hết sức cần thiết đối với công trình kết cấu thép.
Hình 1.9. Diamond Plaza (TP Hồ Chí Minh)
1.1.3. Ưu khuyết điểm của kết cấu khung thép
a. Ưu điểm
– Giảm lượng thép từ khoảng 20% đến 30%,
– Thi công nhanh, giảm đến 35% thời gian chế tạo và lắp dựng đối với toàn bộ kết cấu nhà.
– Dễ dàng tạo được không gian nhịp lớn, đặc biệt là cơ động, dễ mở rộng và thay đổi theo công nghệ sản xuất yêu cầu.
– Hình dạng tiết diện đa dạng, nguồn vật tư dồi dào
– Chịu được tải trọng lớn, có tính thẩm mỹ cao
b. Khuyết điểm
– Giá thành vật liệu cao
– Tốn chi phí sơn phòng rỉ và cần bảo dưỡng định kỳ
– Khi lắp dựng phải có thiết bị chuyên dụng
– Cấu kiện không chịu được nhiệt độ cao khi thành quá mỏng
Hình 1.22. Một số loại tiết diện thanh cho cấu kiện khung nhà
a), b) Tiết diện cán nóng c) Tiết diện tạo nguội
Từ các nghiên cứu về ổn định của tấm mỏng, của thanh và hệ thanh khi chịu lực được các nước ban hành và quy định thành Tiêu chuẩn thiết kế với tên gọi khác nhau: Code of practice – Tiêu chuẩn của (Anh ,Úc) hoặc Specificatión – Quy định kỹ thuật của (Mỹ).
Việt Nam cũng có Tiêu chuẩn thiết kế riêng cho kết cấu thép được biên soạn và chỉnh lý theo các thời kỳ, như TCVN 5575 – 1991, TCXDVN 338: 2005. Hiện tại TCXDVN 338:2005 được đổi tên thành TCVN 5575:2012, là tiêu chuẩn hiện hành về thiết kế các kết cấu công trình bằng thép của nước ta, mọi thiết kế cấu kiện, kết cấu bằng thép đều tuân theo quy định của Tiêu chuẩn này.
a. Sơ đồ khung ngang
Sơ đồ thực
Sơ đồ tính
Hình 1.25. Sơ đồ khung ngang có liên kết giữa dầm ngang và cột
là khớp
Sơ đồ tính
Sơ đồ thực
Hình 1.26. Sơ khung ngang khi liên kết giữa xà ngang và cột là cứng và liên kết khớp tại chân cột
b. Kích thước khung ngang
c. Bố trí khung ngang
1.3. VẬT LIỆU THÉP DÙNG CHO KẾT CẤU
Vật liệu thép dùng cho kết cấu phải được lựa chọn cho phù hợp với tính chất quan trọng của công trình, điều kiện làm việc của kết cấu, đặc trưng của tải trọng, phương pháp liên kết… Dưới đây giới thiệu mác thép dùng trong xây dựng, được chỉ dẫn trong TCVN và thép kết cấu các nước trên thế giới.
Các đặc trưng vật lý của thép:
– Mô đun đàn hồi E = 210 000N/mm2
– Mô đun trượt G = E/ 2( 1+υ) ≈ 81000 N/mm2
– Hệ số Poát xông υ = 0,3
– Hệ số giãn nở vì nhiệt α = 12.10-10(1/K) đối với nhiệt độT ≤ 100oC.
THEO QUI ĐỊNH CỦA TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EC3
Phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính, còn gọi là phân tích bậc nhất, giả thiết biến dạng và chuyển vị của các phần tử và hệ kết cấu không ảnh hưởng đến nội lực hay sự phân bố ứng suất trong kết cấu. Điều này chỉ đúng khi tải tác dụng trên kết cấu gây ra chuyển vị và biến dạng nhỏ, khi đó coi quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị đối với đối với kết cấu cũng như từng phần tử là tuyến tính. Phương trình cân bằng được thiết lập dựa trên sơ đồ hình học ban đầu của hệ kết cấu. Nội lực và chuyển vị của hệ được tính theo nguyên lý cộng tác dụng.
a) Xét một thanh công xôn, chịu lực dọc P và một lực ngang F đặt tại đỉnh, hình 2.1b.
P = Pcr =
Hình 2.1. Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị xét đến hiệu ứng P-Delta
b) Đối với kết cấu khung:
– Dạng thứ hai có giá trị bằng tích số P , sinh ra do độ võng của phần tử và lực dọc trong phần tử, hình 2.2b.
a) Phân tích bậc nhất; b) Phân tích bậc hai
Hình 2.2. Phân tích kết cấu khung xét đến hiệu ứng P-Delta
Một vài thập kỷ qua, phân tích nội lực và chuyển vị của hệ kết cấu có xét đến hiệu ứng P-Delta đã được đưa vào tiêu chuẩn và quy phạm của nhiều nước như: Tiểu chuẩn kết cấu thép và bê tông của Anh BS 5950-2000, BS 8110-1997, Tiêu chuẩn kết cấu thép và bê tông của Australia AS 4100-1990, AS 3600-1988, Tiêu chuẩn kết cấu thép và bê tông của Mỹ AISC-LRFD:1999, ACI 318-95, Tiêu chuẩn kết cấu thép của Châu Âu Eurocode-3 (ENV 1993), Tiêu chuẩn kết cấu thép của Canada CAN/CSA-SI6.1M89.
Tiêu chuẩn và quy phạm kết cấu thép Việt Nam hiện nay chưa có chỉ dẫn việc xét đến hiệu ứng P-Delta khi thiết kế khung thép thông thường, cũng như khung thép liên kết đàn hồi, vì thế trong thiết kế thường bỏ qua hiệu ứng này.
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\LUAN VAN KY THUAT\LUAN VAN LOP K26 XDDD\PHAN VAN NHO
