NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC VÀ TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG TIẾT DIỆN THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI TRONG CẤU KIỆN HỆ SƯỜN TƯỜNG NHÀ CÔNG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC VÀ TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG TIẾT DIỆN THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI TRONG CẤU KIỆN HỆ SƯỜN TƯỜNG NHÀ CÔNG NGHIỆP

1. Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kết cấu xây dựng hiện đại, kết cấu thép nhẹ, thành mỏng, tạo hình nguội đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng. Từ những sản phẩm thông dụng như: Tấm mái, tấm tường, sàn, cầu thang… đến các cấu kiện chịu uốn như: Xà gồ, dầm tường, dàn mái nhẹ nhà công nghiệp, nhà dân dụng… đã và đang được thiết kế, sản xuất, ứng dụng ngày càng nhiều nhờ các ưu điểm về trọng lượng nhẹ, sản xuất theo dây chuyền công nghệ hiện đại với năng suất cao, thi công nhanh và hiệu quả. Tuy nhiên, sự làm việc và tính toán thiết kế kết cấu thép thành mỏng là khá phức tạp đòi hỏi phải đảm bảo các điều kiện về bền, cứng và ổn định, chưa có các nghiên cứu, hướng dẫn tính toán.

Hiện nay ở Việt Nam hiện vẫn chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép thanh thành mỏng. Trong phạm vi luận văn, tác giả tập trung nghiên cứu phân tích sự làm việc và tính toán của cấu kiện dầm và cột sườn tường sử dụng tiết diện thép thanh thành mỏng (tiết diện hở chữ C và tiết diện kín dạng hộp vuông, chữ nhật) với các thông số hình học và vật liệu khác nhau; So sánh hiệu quả về mặt kết cấu dựa trên tiêu chí khả năng chịu tải, độ võng và trọng lượng đối với từng phương án cũng như phân tích đánh giá hiệu quả lựa chọn các dạng tiết diện với kích thước các phần tử cánh, bụng và sườn biên khác nhau. Kết quả nghiên cứu nhằm làm rõ những đặc trưng và sự làm việc, phương pháp tính toán và có cơ sở đánh giá, lựa chọn tiết diện cấu kiện thép thanh thành mỏng (chữ C, hình hộp) ứng dụng trong hệ sườn tường nhà công nghiệp.

2. Mục tiêu nghiên cứu

2.1. Phân tích làm rõ những đặc trưng về hình học, vật liệu và sự làm việc của cấu kiện thép thành mỏng, tạo hình nguội (cấu kiện chịu uốn phẳng/uốn xiên và chịu nén đúng tâm/nén-uốn) ?

2.2. Áp dụng Tiêu chuẩn AS/NZS 4600 để làm rõ phương pháp tính toán, kiểm tra cấu kiện dầm sườn tường (chịu uốn xiên), cột sườn tường (chịu nén-uốn) theo các trạng thái về bền, biến dạng và ổn định. Minh họa phương pháp tính và kiểm chứng bằng các ví dụ số ?

2.3. Hệ thống hóa thuật toán, trình tự tính toán kiểm tra và lập bảng tính EXCELL dùng làm công cụ khảo sát ?

2.4. Khảo sát chọn kích thước phân bổ tiết diện hợp lý cho cánh, bụng và hiệu quả sườn biên đối với cấu kiện dầm sườn tường chữ C ?

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1. Đối tượng nghiên cứu

Hệ sườn tường nhà công nghiệp dùng cấu kiện thép thành mỏng, tạo hình nguội tiền chế bao gồm: Dầm sườn tường, cột sườn tường.

3.2. Phạm vi nghiên cứu

Cấu kiện thành mỏng, tạo hình nguội tiết diện chữ C, hình hộp có thông số hình học và vật liệu trong các trường hợp khảo sát cụ thể của Luận văn thỏa mãn các giả thiết tính toán của Tiêu chuẩn AS/NZS 4600.

4. Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên nền tảng cơ sở lý thuyết kết hợp áp dụng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép (AS/NZS 4100) và kết cấu thép thành mỏng (AS/NZS 4600) của Australia và Newzealand.

5. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong và ngoài nước

6. Bố cục Luận văn

Nội dung chính 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về cấu kiện thép thành mỏng, tạo hình nguội trong công trình xây dựng

Chương 2: Cơ sở tính toán cấu kiện hệ sườn tường nhà công nghiệp theo tiêu chuẩn AS/NZS 4600

Chương 3: Khảo sát tính toán hiệu quả chọn tiết diện hợp lý cho cấu kiện hệ sườn tường thép thành mỏng, tạo hình nguội

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC VÀ TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG TIẾT DIỆN THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI TRONG CẤU KIỆN HỆ SƯỜN TƯỜNG NHÀ CÔNG NGHIỆP

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN THÉP THÀNH MỎNG

TẠO HÌNH NGUỘI TRONG CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

. TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI

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

- - 1. Khái niệm

Khái niệm và thuật ngữ “kết cấu thép thành mỏng, tạo hình nguội” để chỉ các kết cấu thép có trọng lượng nhẹ, tiết diện mỏng, độ mảnh lớn (thin-wall), được chế tạo từ những băng (tấm) thép cán nóng, cường độ cao bằng phương pháp gia công nguội (cold-formed), được liên kết bằng các phương pháp hoàn toàn khác với liên kết kết cấu thép thông thường. Các thuật ngữ được dùng để chỉ các loại kết cấu này gồm: Thin-wall/ Cold-formed Steel Structure, từ đây viết tắt là CFS.

b. Các đặc trưng của cấu kiện CFS

Tiết diện mỏng, trọng lượng nhẹ, hình thức tiết diện đặc biệt, vật liệu thép cường độ cao, vật liệu có độ giãn dài lớn, phương pháp sản xuất và công nghệ thi công hiện đại.

c. Hình thức tiết diện cấu kiện CFS

Tùy theo chu tuyến của tiết diện: Tiết diện kín, tiết diện hở.

Để đảm bảo yêu cầu ổn định khi chế tạo, yêu cầu kích thước tiết diện: và (t: Bề dày tiết diện; a: Kích thước một cạnh mặt cắt ngang; l: Chiều dài thanh)

Hình 1.1. Các hình thức tiết diện cấu kiện CFS dạng thanh

. Ưu nhược điểm cấu kiện CFS

a. Ưu điểm

b. Nhược điểm

. Khái quát công nghệ chế tạo

a. Lựa chọn vật liệu chế tạo

Ba loại thép của Úc, G450, G500 và G550 (giới hạn chảy lần lượt là 450, 500, 550 daN/mm²) là loại thép đặc biệt, có cường độ rất cao.

G450 dùng cho cấu kiện có bề dày ≥ 1,5mm.
G500 dùng cho cấu kiện có bề dày > 1,0mm nhưng < 1,5mm.
G550 dùng cho cấu kiện có bề dày ≤ 1,0mm.

Thép có độ dãn dài cao 22 – 26%, có thể chịu được thử nghiệm uốn gập nguội.

b. Yêu cầu phôi chế tạo

c. Thiết bị chế tạo

Máy gấp mép, máy ép khuôn, máy cán trục lăn

d. Phương pháp chế tạo

e. Phương pháp phòng gỉ và ăn mòn

. Sự tăng cường độ do gia công nguội

. Phạm vi ứng dụng

a. Các bộ phận, cấu kiện chịu lực

b. Các bộ phận, cấu kiện chi tiết, cấu tạo và kiến trúc

NHẬN XÉT CHƯƠNG 1

Chương 1 đã tổng hợp trình bày được các vấn đề tổng quan về sự làm việc của kết cấu thép thành mỏng, tạo hình nguội; hệ thống hóa và phân tích làm rõ sự khác biệt và những đặc trưng của cấu kiện thép thành mỏng, tạo hình nguội so với cấu kiện thép cán nóng làm cơ sở cho việc nghiên cứu sự làm việc và phương pháp tính toán ở chương 2.

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN HỆ SƯỜN TƯỜNG

NHÀ CÔNG NGHIỆP THEO TIÊU CHUẨN AS/NZS 4600

2.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ SƯỜN TƯỜNG NHÀ CÔNG NGHIỆP

2.1.1. Hệ sườn tường nhà công nghiệp truyền thống

- - 1. Hệ sườn tường đầu hồi

b. Hệ sườn tường dọc nhà

2.1.2. Hệ sườn tường nhà công nghiệp thép tiền chế

a. Nhà thép tiền chế

b. Hệ sườn tường nhà công nghiệp thép tiền chế gồm:

Dầm sườn tường và cột sườn tường.

Hình 2.6: Hệ sườn tường cấu kiện CFS

2.2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CFS THEO AS/NZS 4600

2.2.1. Nguyên tắc thiết kế theo tiêu chuẩn thiết kế AS/NZS 4600

a. Tổng quan về tiêu chuẩn AS/ NZS 4600

Tiêu chuẩn thiết kế AS/NZS4600“Cold-formed steel structure” là tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép thành mỏng, tạo hình nguội của Úc và NewZealand, được xây dựng dựa theo qui phạm AISI 1996 và các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học Úc. Vật liệu thép tuân theo các tiêu chuẩn sau: AS1163; AS1397; AS1594; AS1595 và AS/NZS 3678. Về tải trọng tuân theo tiêu chuẩn AS 1170. Trong điều kiện Việt Nam chưa ban hành tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép thành mỏng, Luận văn áp dụng tiêu chuẩn AS/NZS 4600 (Úc) để tính toán các cấu kiện hệ sườn tường tiết diện CFS. Điều này là phù hợp với điều kiện của nước ta đã và đang có nhiều sản phẩm CFS của các Công ty của Úc hoặc liên doanh với Úc như: Bluescope Steel…

b. Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn AS/NZS4600

Phương pháp thiết kế theo tiêu chuẩn AS/NZS 4600 là phương pháp thiết kế tính toán kiểm tra theo trạng thái giới hạn, bao gồm:

– Trạng thái giới hạn về chịu lực: S* ≤ φR_u (2.1)

Trong đó: S*: Tác dụng của tải trọng thiết kế;

φ: Hệ số khả năng chịu lực;

R_u: Khả năng chịu lực danh nghĩa của cấu kiện hay của liên kết.

Trạng thái giới hạn về sử dụng: ∆ ≤ [∆] (2.2)

Trong đó: ∆: Biến dạng lớn nhất do các tải trọng tiêu chuẩn gây ra.

[∆] : Biến dạng giới hạn cho phép theo quy phạm.

c. Xác định tải trọng và tổ hợp tải trọng:

Các giá trị của tải trọng danh nghĩa, các tổ hợp tải trọng và các hệ số tải trọng tương ứng được cho trong tiêu chuẩn tải trọng AS/NZS 1170.

2.2.2. Tính toán đặc trưng hình học của tiết diện CFS

Một số thuật ngữ, khái niệm cơ bản về tiết diện CFS

b. Bề rộng hữu hiệu của tiết diện CFS

Tùy theo loại phần tử được tăng cứng, có các trường hợp sau:

– Phần tử được tăng cứng chịu ứng suất nén phân bố đều

hoặc (2.7)

Trong đó là độ mảnh của tấm tại ứng suất :

hoặc (2.8)

Phần tử được tăng cứng chịu ứng suất biến đổi tuyến tính

Trong vùng ứng suất nén lớn, bề rộng hữu hiệu (b_e1):

(2.9)

Trong vùng ứng suất nén lớn, bề rộng hữu hiệu (b_e2):

b_e2 = b_e/2 khi (2.10)

và b_e2 = b_e – b_el khi (2.11)

Trong đó: thể hiện sự phân bố ứng suất: và k được tính theo công thức: (2.13)

Nếu (b_el + b_e2) lớn hơn vùng nén thì bụng là hữu hiệu hoàn toàn.

Phần tử chịu nén không được tăng cứng
Phần tử chịu nén đều, có một sườn biên: có 03 trường hợp

1) Phần tử hữu hiệu hoàn toàn (b_e=b) dù không có sườn biên;

2) Phần tử hữu hiệu hoàn toàn (b_e=b) với điều kiện sườn biên đủ cứng và bản thân mép của sườn biên không quá dài;

3) Phần tử hữu hiệu một phần (b_e<b) dù sườn biên cứng bao nhiêu

Ba trường hợp này được tiêu chuẩn AS/NZS 4600 quy định:

– Trường hợp 1 khi: b/t S/3 (S là hệ số độ mảnh)

S = 1,28 (2.14)

– Trường hợp 2 khi S/3 < b/t < S

Sườn biên phải có độ cứng I_a để có trở thành gối tựa để phần tử làm việc như phần tử được tăng cứng. Độ cứng sườn cần thiết:

(2.15)

Mômen quán tính của sườn đối với trục trọng tâm

(2.16)

Nếu I_SI_a và mép sườn không quá dài (d/b 0,25) thì phần tử là hữu hiệu hoàn toàn, ngược lại khi mép sườn quá dài (d/b > 0,25) thì phần tử có thể không còn hữu hiệu hoàn toàn và ứng suất sẽ phân bố không đều

Bề rộng hữu hiệu của phần tử vẫn tính theo công thức :

Vớiđược tính với hệ số k như sau: (2.17)

Chiều dài của mép được dùng để tính toán cho toàn tiết diện là:

– Trường hợp 3 khi b/t S:

Độ cứng yêu cầu đối với sườn biên:

(2.18)

b_e, k, C₁, C₂, d_s tính như trường hợp 2 nhưng lấy n =0,333.

c. Tính toán đặc trưng hình học của tiết diện CFS

2.3. TÍNH TOÁN KIỂM TRA HỆ SƯỜN TƯỜNG THEO AS/NZS 4600

2.3.1. Tính toán kiểm tra dầm sườn tường CFS

a. Kiểm tra bền

b. Kiểm tra ổn định

c. Kiểm tra độ võng

2.3.2. Tính toán kiểm tra cột sườn tường CFS

a. Kiểm tra bền

b. Kiểm tra ổn định

2.4. VÍ DỤ TÍNH TOÁN

2.4.1. Ví dụ 1: Xác định bề rộng hữu hiệu và đặc trưng hình học của tiết diện dầm sườn tường chữ C

Cấu tạo hệ sườn tường ngang nhà cấu kiện CFS như Hình 2.21:

a) Cột sườn tường b) Dầm sườn tường.

Hình 2.21: Hệ sườn tường cấu kiện CFS nhà công nghiệp

Phương án 1: Tiết diện chữ C 200x70x20x2 có sườn biên

Phương án 2: Tiết diện chữ C 200x70x2 không có sườn biên

2.4.2. Ví dụ 2: Kiểm tra tiết diện dầm sườn tường theo AS/NZS 4600

Dầm sườn tường tiết diện C200x70x20x2 như ví dụ 1.

Sơ đồ tính: Dầm đơn giản, tải trọng phân bố đều như Hình2.23

Hình 2.23: Sơ đồ tính dầm sườn tường

2.4.3. Ví dụ 3: Tính toán kiểm tra cột sườn tường theo AS/NZS 4600

a. Số liệu tính toán: Hệ sườn tường giống như ví dụ 1.

– Đặc trưng hình học tiết diện hình hộp vuông 140x140x0x3

Bề dày: t = 3 mm;

Cánh: Bề rộng phẳng: b = 140 mm; Góc uốn: r = 3 mm

Bụng: Chiều cao bụng: h =140 mm.

Đặc trưng cơ học vật liệu: f_y =34 kN/cm²; E = 20000 kN/cm².

Hình 2.24: Tiết diện cột sườn tường CFS dạng hình hộp vuông

Tổng hợp kết quả tính toán:

Bảng tổng hợp kết quả tính toán ví dụ 1

TT	Đại lượng tính toán	Kết quả	Đơn vị
1	Bề rộng hữu hiệu (b_e) cánh nén dầm sườn tường (PA: không sườn biên)	26,99	mm
2	Bề rộng hữu hiệu (b_e) cánh nén dầm sườn tường (PA: có sườn biên)	49,58	mm
3	Mô men quán tính của toàn bộ tiết diện hữu hiệu I_e	4112595,28	mm⁴
4	Mô men kháng uốn của toàn bộ tiết diện hữu hiệu Z_e	3979,94	mm³

Bảng tổng hợp kết quả tính toán ví dụ 2

TT	Đại lượng tính toán	Kết quả	Đơn vị
1	Khả năng chịu mô men danh nghĩa về bền M_s	1352,96	kNcm
2	Khả năng chịu mô men danh nghĩa về ổn định M_b	1246,44	kNcm
3	Độ võng ∆	0,051	cm

Bảng tổng hợp kết quả tính toán ví dụ 3

TT	Đại lượng tính toán	Kết quả	Đơn vị
1	Khả năng chịu nén danh nghĩa N_c	442,984	kN
2	Khả năng chịu mômen danh nghĩa M_by	2215,77	kNcm
3	Kiểm tra khả năng chịu nén uốn của cột (hộp140x3):	0,914 ≤ 1 (thỏa)

NHẬN XÉT CHƯƠNG 2

Chương 2 đã hệ thống hóa phương pháp và các công thức tính toán kiểm tra cấu kiện hệ sườn tường (dầm sườn tường chịu uốn phẳng/xiên; cột sườn tường chịu nén uốn) theo AS/NZS 4600.

Chương 2 đã tính toán kiểm chứng, làm rõ bằng 3 ví dụ số để tính bề rộng hữu hiệu, đặc trưng hình học tiết diện làm cơ sở tính toán kiểm tra dầm sườn tường (tiết diện C) và cột sườn tường (tiết diện hộp) chịu tải trọng thiết kế. Từ đó, làm rõ trình tự, thuật toán lập bảng tính EXCELL cho cấu kiện dầm và cột sườn tường dùng làm công cụ khảo sát nghiên cứu chương 3.

CHƯƠNG 3

KHẢO SÁT TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ CHỌN TIẾT DIỆN

HỢP LÝ CHO CẤU KIỆN HỆ SƯỜN TƯỜNG

THÉP THÀNH MỎNG, TẠO HÌNH NGUỘI

3.1. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN KIỂM TRA CẤU KIỆN HỆ SƯỜN TƯỜNG THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI THEO AS/NZS4600

3.1.1. Tính toán kiểm tra dầm sườn tường CFS

Bước 1: Nhập số liệu đầu vào.

Số hiệu tiết diện dầm:

Đặc trưng cơ học của vật liệu : f_y, E, G.

Sơ đồ tính, nhịp L và tải trọng q (kN/m);

Nội lực tính toán : M* (kNcm); , V* (kN).

Độ võng cho phép: [∆/L]

Bước 2: Tính bề rộng hữu hiệu của tiết diện (b_e)

Phụ thuộc ứng suất làm việc của phần tử f *

– Đối với phần tử cánh nén: Tính theo (2.6):

Trong đó: b là bề rộng phẳng,

là hệ số bề rộng hữu hiệu (≤ 1)

Tùy dạng tiết diện để tính toán tính theo trường hợp:

Tiết diện chữ C: Áp dụng như phần tử chịu nén đều không được tăng cứng tính theo công thức (2.7) (k=0,43) hoặc phần tử chịu nén đều có một sườn biên (trường hợp cấu tạo sườn biên) tính theo công thức (2.17)

Tiết diện hộp: Áp dụng như phần tử chịu nén đều được tăng cứng tính theo công thức (2.7) (k=4)

– Đối với phần tử bụng: Áp dụng như phần tử được tăng cứng chịu ứng suất biến đổi tuyến tính: b_e= b_e1+ b_e2

Bước 3: Tính đặc trưng hình học

Tính đặc trưng hình học tiết diện thô: (I_x, I_y, I_W, J, r_x, r_y, r_o1.)
Tính đặc trưng hình học tiết diện hữu hiệu: (A_e, I_e, Z_e.)

* Trường hợp cấu kiện CFS chịu xoắn hay xoắn kiềm chế thì cần tính thêm các đặc trưng hình học quạt (I_ω, Z_ω,S_ω) để tính các ứng suất phụ (Ϭ_ω hay τ_ω)

Bước 4: Tính khả năng chịu mômen danh nghĩa:

Về bền: tính theo (2.20)
Về ổn định: M_b= Min (M_bo; M_bod)

Theo oằn uốn xoắn:

Trình tự tính toán mômen tới hạn oằn uốn xoắn (M_c):

+ Tính mômen tới hạn đàn hồi (M_o) theo (2.28)

+ Tính mômen chảy (M_y) theo (2.24)

+ Tính tham số tính theo (2.23)

+ Tính mômen tới hạn (M_c) theo (2.25),(2.26),(2.27)

Theo oằn vặn bên: tính theo (2.22)

Trình tự tính toán mômen tới hạn oằn vặn bên (M_c):

+ Tính mômen tới hạn đàn hồi (M_od) theo (2.28)

+ Tính mômen chảy (M_y) theo (2.41)

+ Tính tham số tính theo (2.40)

+ Tính mômen tới hạn (M_c) theo (2.38),(2.39),(2.40)

Bước 5: Tính độ võng

Bước 6: Kiểm tra theo các điều kiện sau:

Điều kiện bền : M* ≤ φ_b.M_S

Điều kiện ổn định : M* ≤ φ_b.M_b

với M_b=min(M_bo;M_bod)

Điều kiện độ võng: ∆/L ≤ [∆/L]

3.1.2. Tính toán kiểm tra cột sườn tường CFS

Bước 1: Nhập số liệu đầu vào, tương tự dầm sườn tường nhưng sơ đồ tính như cấu kiện chịu nén uốn có N* và M*

Bước 2: Tính bề rộng hữu hiệu của tiết diện (b_e)

Phụ thuộc ứng suất làm việc của phần tử f *

Tính theo hai trường hợp:

Tiết diện chịu uốn: Tính như dầm sườn tường.
Tiết diện chịu nén:

+ Tiết diện chữ C:

Phần tử cánh tính theo phần tử không được tăng cứng chịu nén đều

Phần tử bụng tính theo phần tử được tăng cứng chịu nén đều

+ Tiết diện hộp:

Phần tử cánh và bụng tính cho phần tử được tăng cứng chịu nén đều tính theo công thức (2.7) (k=4)

Bước 3: Tính đặc trưng hình học:

Bước 4: Tính toán khả năng chịu nén danh nghĩa:

– Về bền: N_s = A_ef_y;

– Về ổn định: N_c = A_ef_n;

Tính ứng suất tới hạn f_n theo (2.48), (2.49) phụ thuộc

Bước 5: Tính khả năng chịu mô men danh nghĩa:

Về bền: tính theo (2.20)
Về ổn định: M_b= Min (M_bo; M_bod).

Bước 6: Kiểm tra bền theo (2.43):

Bước 7: Kiểm tra ổn định theo (2.45):

_n: Hệ số tăng mômen đối với trục uốn tính theo (2.46)

_n = 1 – (N*/N_e)

N_e = ²EI/L_e²: Lực tới hạn Euler.

I : Mômen quán tính của toàn bộ tiết diện đối với trục uốn;

L_eb : Chiều dài tính toán trong mặt phẳng uốn

3.2. KHẢO SÁT SO SÁNH CHỌN HÌNH THỨC TIẾT DIỆN DẦM SƯỜN TƯỜNG CFS

3.2.1. Đặt vấn đề

Công nghệ chế tạo cấu kiện CFS cho phép tạo ra nhiều dạng tiết diện phong phú đáp ứng yêu cầu kiến trúc và thiết kế. Vấn đề đặt ra là với cùng một diện tích tiết diện (A = 7,48cm²), dạng dầm sườn tường CFS tiết diện hở (chữ C) hay tiết diện kín (hình hộp chữ nhật/vuông) có khả năng chịu tải trọng lớn hơn ? Luận văn khảo sát so sánh 2 hình thức tiết diện hở và tiết diện kín:

Phương án 1 (a) Dùng tiết diện chữ C (hở): C160x80x20x2,5mm

Phương án 2 (b) Dùng tiết diện hộp RHS (kín): 80×2,5mm

a) Tiết diện chữ C. b) Tiết diện hộp vuông.

Hình 3.2: Kích thước tiết diện dầm sườn tường khảo sát

3.2.2. Phương pháp và kết quả khảo sát

a. So sánh khả năng chịu tải theo điều kiện bền và ổn định

b. So sánh khả năng chịu tải theo điều kiện độ võng

Từ điều kiện bền, ổn định, độ võng tính được tải trọng ngang (gió tác dụng lên sườn tường) cho phép [q] (kN/m) của mỗi phương án ứng với nhịp L. Phương án được chọn là phương án có [q] lớn hơn. Thay đổi nhịp dầm sườn tường L =1m; 1,5m; 2m; 2,5m; 3m.

Bảng 3.2c: So sánh khả năng chịu tải dầm sườn tường

Khả năng chịu tải của dầm	Nhịp L (m)	Tải trọng cho phép trên dầm(kN/m)
	Nhịp L (m)	(C160x60x20x2,5)	(HỘP 80×2,5)
	1,0	86,16	79,78
	1,5	34,74	23,64
	2,0	19,78	9,97
	2,5	11,71	5,11
	3,0	7,48	2,95

Hình 3.2c: So sánh khả năng chịu tải của dầm

3.2.3. Phân tích, đánh giá kết quả

Trong phạm vi khảo sát (nhịp L= 1÷3m), dầm sườn tường dùng tiết diện hở, chữ C có khả năng chịu tải về bền và ổn định nhỏ hơn dầm sườn tường tiết diện kín, hộp vuông. Điều này là do tiết diện chữ C (tiết diện hở) có chiều cao lớn hơn bị hạn chế bởi các điều kiện oằn uốn xoắn và oằn vặn bên nhiều hơn so với tiết diện hộp vuông (tiết diện kín). Mặc khác tiết diện chữ C (tiết diện hở) có chiều cao lớn hơn nhiều so với tiết diện hộp vuông (tiết diện kín), vì vậy độ cứng lớn hơn và độ võng nhỏ hơn. Khả năng chịu tải của dầm bị chi phối do điều kiện độ võng lớn hơn do điều kiện bền và ổn định. Ngoài hiệu quả tốt hơn về kết cấu, tiết diện chữ C, hở còn có ưu điểm là đạt hiệu quả về mặt lưu kho, vận chuyển tốt hơn so với tiết diện hộp vuông, kín.

Vậy: Phương án (a) dùng tiết diện hở, chữ C là hiệu quả hơn và nên chọn.

3.3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ RỘNG CÁNH VÀ SƯỜN BIÊN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU MÔMEN CỦA DẦM SƯỜN TƯỜNG CFS

3.3.1. Đặt vấn đề

Với hình thức tiết diện dầm sườn tường chữ C, cùng một diện tích tiết diện A=7,48 cm² và bề dày t=2,5mm, dạng tiết diện nào có lợi nhất (khả năng chịu mômen lớn nhất) trong 4 phương án sau:

Hình 3.3: Các phương án phân bố tiết diện cho cánh và sườn biên

3.3.2. Phương pháp và kết quả khảo sát

Bảng 3.3a. So sánh khả năng chịu tải của 4 phương án

Hình thức phân bố tiết diện		Khả năng chịu mômen M_b (kNcm)
Phương án	Số hiệu tiết diện	t=2mm	t=2,5mm	t = 3mm
PA1(a)	C160x80x0	646,70	863,59	1095,46
PA2(b)	C160x60x20	816,44	989,11	1177,03
PA3(c)	C160x50x30	736,87	919,59	1095,93
PA4(d)	C160x50/70×20	698,15	879,48	1054,95

Hình 3.3.a: Khả năng chịu tải của 4 phương án phân bố tiết diện

3.3.3. Phân tích, đánh giá kết quả

Bảng số liệu 3.3a và đồ thị hình 3.3a cho thấy: Trong phạm vi khảo sát (nhịp L=2m, bề dày t=2,5mm), phương án 2 dùng tiết diện đối xứng, có sườn biên (C160x60x20x2,5 như hình 3.3b) có khả năng chịu mômen lớn nhất, Điều này cho thấy hiệu quả của việc bố trí sườn biên so với không bố trí sườn.

Tuy nhiên, kết quả khảo sát cũng cho thấy: Việc giảm bề rộng cánh chuyển sang cho sườn biên chỉ hiệu quả khi sườn có bề rộng phù hợp, nếu lạm dụng bố trí sườn biên quá lớn như phương án 3 (hình 3.3c) lại có khả năng chịu mômen không cao như phương án 2.

Để làm rõ hơn về định lượng hiệu quả của phương án 2 (C160x60x20x2,5 như hình 3.3.b), tiếp tục so sánh phương án 2 với phương án 1 (C160x80x0x2,5 như hình 3.3a) theo 2 tiêu chí:

– Tổng bề rộng hữu hiệu (b_e); Khả năng chịu mômen (M_b).

Xét trường hợp t=2,5mm. Kết quả thể hiện trên Bảng 3.3.b.

Bảng 3.3b. Hiệu quả bố trí sườn biên so với không sườn biên

Hình thức tiết diện		Tiêu chí đánh giá
Phương Án	Số hiệu tiết diện	Tổng be	∆ be	% ∆be	Mômen	∆ M	% ∆M
		(mm)	(mm)		(kNcm)	(kNcm)
PA1	C160x80x0x2,5	259,43	14,53	5,60	863,59	125,52	14,53
PA2	C160x60x20x2,5	273,96			989,11

Kết quả Bảng 3.3b cho thấy: Với t=2,5mm, tổng bề rộng hữu hiệu của phương án 2 (dầm sườn tường đối xứng, có sườn biên) tăng 14,53 mm (tăng 5,6%) so với phương án 1 (dầm sườn tường đối xứng, không có sườn biên). Nhờ đó, khả năng chịu mômen của phương án 2 tăng 125,52 kN.cm (tăng 14,53%) so với phương án 1. Hơn nữa, kết quả Bảng 3.3a cho thấy: Thay đổi bề dày t=2mm, t=2,5mm và t=3mm thì phương án 2 luôn là phương án có khả năng chịu mômen lớn nhất.

Vậy: Trong phạm vi khảo sát, phương án 2 dùng tiết diện chữ C, hở đối xứng, có sườn biên (C160x60x20x2,5) là hiệu quả hơn và nên chọn.

3.4. KHẢO SÁT SO SÁNH HIỆU QUẢ CÁC PHƯƠNG ÁN CHỌN TIẾT DIỆN DẦM VÀ CỘT TRONG TOÀN HỆ SƯỜN TƯỜNG

3.4.1. Đặt vấn đề

Xét toàn hệ sườn tường với hai cấu kiện cơ bản là dầm sườn tường và cột sườn tường có sơ đồ như hình 2.21, vấn đề đặt ra là khi kết hợp với cột sườn tường, phương án tiết diện hở, chữ C như đã chọn có còn đạt được hiệu quả cao nữa hay không ?

Với cùng khả năng chịu lực vừa đủ, giữ nguyên nhịp L=2m và bề dày t=2,5mm phương án nào có trọng lượng thép nhỏ nhất ?:

Phương án chọn tiết diện dầm/cột sườn tường như Bảng 3.4c.

3.4.2. Phương pháp và kết quả khảo sát

Theo kết quả ví dụ chương 2, số hiệu dầm C200x70x20x2 kiểm tra trong ví dụ 2 và số hiệu cột 140×3 kiểm tra trong ví dụ 3 là thừa khá nhiều so với yêu cầu chịu tải nên không kinh tế và được chọn lại theo tiêu chí đủ chịu lực.

Với mỗi phương án, chọn số hiệu dầm sườn tường và cột sườn tường vừa đủ chịu tải trọng tính toán. Kết quả thể hiện trên Bảng 3.4a đối với dầm sườn tường (tiết diện hở, chữ C hoặc tiết diện kín, hộp vuông) và Bảng 3.4b đối với cột sườn tường (tiết diện hở, chữ C hoặc tiết diện kín, hộp vuông).

Bảng 3.4a: Chọn dầm sườn tường tiết diện hở, chữ C hoặc kín,

hộp vuông

TT	Số hiệu dầm	M (kNcm)	kiểm tra
1	C100x50x15x2,5	446,55	Thỏa
2	Hộp 60×2,5	531,37	Thỏa

Bảng 3.4b: Chọn cột sườn tường tiết diện hở, chữ C hoặc kín,

hộp vuông

TT	Số hiệu Cột	Điều kiện nén uốn
TT	Số hiệu Cột		Kết quả kiểm tra
1	C160x60x0x3,5	0,835	Thỏa
2	Hộp140x3	0,914	Thỏa

Dựa vào số hiệu dầm/cột sườn tường chọn được (vừa đủ chịu lực), tính tổng trọng lượng thép của toàn hệ sườn tường, kết quả thể hiện như Bảng 3.4 và đồ thị như Hình 3.4.

3.4.3. Phân tích, đánh giá kết quả

Trong phạm vi khảo sát, trọng lượng thép của 4 phương án xếp theo thứ tự sau: PA1 < PA 4 < PA 2 < PA 3. Tuy nhiên, do trọng lượng thép của 2 phương án 1 và phương án 4 chênh lệch không lớn, chưa đủ cơ sở lựa chọn phương án hiệu quả nhất.

Bảng 3.4: Trọng lượng thép toàn hệ sườn tường theo phương án

TT	Phương án	Dầm	Cột	∑m (kg)
1	PA1	Tiết diện C, hở (100x50x15x2,5)	Tiết diện C, hở C160x60x0x3,5	877,56
2	PA2	Tiết diện C, hở (C100x50x15x2,5)	Tiết diện hộp,kín (140×3)	1227,48
3	PA3	Tiết diện hộp, kín (60×2,5)	Tiết diện hộp,kín (140×3)	1246,48
4	PA4	Tiết diện hộp, kín (60×2,5)	Tiết diện C, hở (C160x60x0x3,5)	896,56

Hình 3.4: Biểu đồ trọng lượng toàn hệ sườn tường theo phương án

Vấn đề đặt ra là, nếu dùng thép định hình như phương án 1 thì chưa thực sự hiệu quả so với phương án 4, vì vậy có thể thay đổi tỷ lệ (h/b) để tìm ra tiết diện có khả năng chịu lực lớn hơn mà trọng lượng thép nhỏ hơn hay không ?

3.5. KHẢO SÁT CHỌN TỶ LỆ (H/B) ĐỂ PHÂN BỐ TIẾT DIỆN CHO CÁNH VÀ BỤNG CỦA DẦM SƯỜN TƯỜNG

3.5.1. Đặt vấn đề

Thay đổi tỷ lệ (h/b) để tìm ra phương án 1* phân bố tiết diện cho cánh và bụng hợp lý hơn so với phương án dùng tiết diện định hình (Phương án 1 của mục 3.4). Khảo sát với các giá trị bề dày t khác nhau: t=2mm, t=2,5mm và t=3mm.

3.5.2. Phương pháp và kết quả khảo sát

Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ (h/b) đến khả năng chịu mômen của dầm sườn tường với các hình thức tiết diện chữ C như Bảng 3.5.

Tỷ lệ h/b thay đổi lần lượt: 1,1; 1,3; 1,6; 2,0; 2,4; 3,0; 3,7.

Thay đổi (h/b) từ 1,0÷1,6 (giảm h), tăng bề rộng cánh b).

Thay đổi (h/b) từ 2,4÷3,7 (tăng h và giảm bề rộng cánh b).

Bảng 3.5: Khả năng chịu mômen danh nghĩa theo h/b

của tiết diện chữ C đối xứng có sườn biên

Phân bố tiết diện	h/b	Khả năng chịu mômen danh nghĩa M (kNcm)
Phân bố tiết diện	h/b	(t=2mm)	(t=2,5mm)	(t = 3mm)
C70x65x15	1,1	269,17	336,56	444,92
C80x60x15	1,3	312,38	417,42	455,45
C90x55x15	1,6	350,79	436,31	503,54
C100x50x15	2,0	374,16	446,55	526,93
C110x45x15	2,4	362,68	455,15	540,40
C120x40x15	3,0	357,15	453,58	542,84
C130x35x14	3,7	340,24	440,04	532,58

$C:\Users\PhongVu\Desktop\DATHINH.png$

Hình 3.5: So sánh khả năng chịu mômen theo tỷ lệ h/b (khi t thay đổi) của tiết diện chữ C đối xứng, có sườn biên

3.5.3. Phân tích và đánh giá kết quả

Khả năng chịu mômen danh nghĩa lớn nhất tương ứng

Khi t = 2mm, M (kNcm) lớn nhất khi h/b = 2.

Khi t = 2,5mm, M (kNcm) lớn nhất khi h/b = 2,4.

Khi t = 3mm, M (kNcm) lớn nhất khi h/b = 3.

Vậy: Chọn PA 1* có tiết diện C100x40x15x2,5 (h/b=2,4) thay cho PA 1 là tiết diện định hình ban đầu (C100x50x15x2,5) (h/b=2).

Tính lại trọng lượng thép của phương án 1* so với phương án 1, kết quả phương án 1* có trọng lượng 831,56 kG giảm 5,24% so với phương án 1 có trọng lượng 877,56 kG.

NHẬN XÉT CHƯƠNG 3

Chương 3 đã hệ thống hóa trình tự tính toán kiểm tra dầm, cột sườn tường theo AS/NZS 4600, lập được các bảng tính Excel làm công cụ khảo sát lựa chọn phương án bố trí tiết diện cho cấu kiện dầm/cột hệ sườn tường nhà công nghiệp và tính toán đánh giá được hiệu quả về mặt kết cấu (khả năng chịu tải), tính kinh tế (trọng lượng vật liệu) của các phương án nghiên cứu.

Chương 3 đã khảo sát làm rõ hiệu quả của các phương án lựa chọn:

+ Hiệu quả việc chọn hình thức tiết diện dầm/cột sườn tường: Tiết diện hở, chữ C, đối xứng;

+ Hiệu quả việc bố trí sườn biên cho dầm sườn tường với bề rộng hợp lý cho dầm (bề rộng sườn hợp lý là 15mm);

+ Hiệu quả việc chọn tỷ lệ cánh và bụng hợp lý (h/b) ứng với mỗi bề dày: h/b=2 (t=2mm), h/b=2,4 (t=2,5mm) và h/b=3 (t=3mm);

+ Hiệu quả của việc chọn tiết diện dầm/cột sườn tường để đạt trọng lượng thép nhỏ nhất mà vẫn đủ chịu lực. Kết quả trong phạm vi khảo sát chọn được phương án hợp lý nhất là phương án 1* (số hiệu dầm là C100x40x15x2,5 và số hiệu cột là C160x60x0x3,5).

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

1. Hệ sườn tường sử dụng tiết diện thép thành mỏng tạo hình nguội là giải pháp cần được xem xét ứng dụng trong xây dựng công trình nhà công nghiệp nhờ đạt hiệu quả tốt (tiết diện gọn, đẹp, trọng lượng nhẹ, công nghệ sản xuất thi công nhanh, dây chuyền hiện đại, năng suất cao…).

Vấn đề quan trọng là lựa chọn tiết diện hợp lý đủ chịu lực, trọng lượng thép nhỏ nhất và kết hợp tổng thể các tiêu chí về kết cấu, chế tạo sản xuất và thi công với số lượng lớn sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao khi kết hợp được tổng thể các tiêu chí này.

2. Kết quả nghiên cứu khảo sát của luận văn đã đạt được:

– Thứ nhất, hệ thống hóa, phân tích làm rõ sự làm việc của các cấu kiện cơ bản trong hệ sườn tường (dầm/cột).

– Thứ hai, áp dụng tiêu chuẩn AS/NZS 4600 (Úc-Newzealand) tính toán kiểm tra tiết diện cấu kiện hệ sườn tường (dầm chịu uốn xiên, cột chịu nén uốn). Minh họa, kiểm chứng bằng các ví dụ số (chương 2).

– Thứ ba, khảo sát tính toán các phương án thiết kế tiết diện hiệu quả dựa trên tiêu chí đánh giá hiệu quả là cấu kiện vừa đủ chịu lực, trọng lượng thép nhỏ nhất từ đó đạt được một số kết quả chính trong phạm vi khảo sát như sau:

+ Chọn được hình thức tiết diện hợp lý: Tiết diện chữ C, đối xứng;

+ Chọn được tỷ lệ phân bố bề rộng cánh và bụng (h/b) dầm ứng với bề dày t: h/b=2 (t=2mm), h/b=2,4 (t=2,5mm) và h/b=3 (t=3mm);

+ Bố trí sườn biên cho tiết diện dầm: Bề rộng sườn 15mm;

+ Chọn được phương án hợp lý:

PA 1 dùng tiết diện C định hình (cho cả dầm và cột sườn tường)

PA 1* dùng tiết diện C (đề xuất điều chỉnh tiết diện định hình).

Kiến nghị

Trong điều kiện Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế thép thành mỏng, thì kiến nghị sử dụng AS/NZS 4600: 2005 (Úc-Newzealand) hoàn toàn phù hợp, thực tế có nhiều công ty hàng đầu của Úc chuyển giao công nghệ sản xuất ứng dụng thép thành mỏng tại Việt Nam.

Hướng phát triển của đề tài

Thiết lập bảng tra chọn sơ bộ tiết diện dầm/cột sườn tường với các kích thước môđun thông dụng.
Phát triển bài toán tối ưu hóa tiết diện thép thành mỏng, tạo hình nguội bằng công cụ phần mềm.
So sánh với kết quả tính theo Eurocode (EC3-Châu Âu) để có cơ sở chọn các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp thực tế xây dựng Việt Nam.

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC VÀ TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG TIẾT DIỆN THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI TRONG CẤU KIỆN HỆ SƯỜN TƯỜNG NHÀ CÔNG NGHIỆP

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\LUAN VAN KY THUAT\LUAN VAN LOP K26 XDDD\DINH BA DẠT

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC VÀ TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG TIẾT DIỆN THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI TRONG CẤU KIỆN HỆ SƯỜN TƯỜNG NHÀ CÔNG NGHIỆP

About admin

Trả lời Hủy

Related Posts

About admin

Trả lời Hủy