TÍNH TOÁN BẢN BỤNG DẦM THÉP CHỊU CẮT THEO TCVN 5575:2012 VÀ TIÊU CHUẨN MỸ AISC-2005
Thế kỷ 20 là thế kỷ phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật. Việt Nam là đất nước đang phát triển cũng chịu ảnh hưởng bởi nền khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế giới. Hơn hẳn các kết cấu xây dựng truyền thống, các công trình bằng kim loại hiện đại rất dễ dàng đáp ứng việc thực hiện xây dựng với tốc độ nhanh và linh hoạt trong xây dựng. Với ưu điểm của mình, kết cấu thép cũng được sử dụng nhiều ở Việt Nam, đặc biệt từ sau năm 1990 kết cấu thép đã được phát triển rộng rãi và trở nên quen thuộc trong ngành xây dựng.
Ngày nay, đi cùng với sự hội nhập của nền Kinh tế Xã hội là sự hội nhập của các ngành khoa học kỹ thuật và Xây dựng. Tại Việt Nam ngày càng có nhiều công trình được thiết kế theo các tiêu chuẩn của nước ngoài. Tiêu chuẩn thiết kế của Mỹ là một trong những tiêu chuẩn nước ngoài được ứng dụng nhiều. Tuy nhiên việc sử dụng các tiêu chuẩn nước ngoài để tính toán và thiết kế đối với các kỹ sư Việt Nam còn khá mới mẻ và khó khăn.
Do vây, đề tài luận văn được chọn là “ Tính toán bản bụng dầm thép chịu cắt theo TCVN 5575:2012 và tiêu chuẩn Mỹ AISC-2005 “ với mục đích tính toán và so sánh tiêu chuẩn của Mỹ với tiêu chuẩn của Việt Nam, từ đó làm rõ hơn tiêu chuẩn tính toán của Mỹ để làm cơ sở cho các kỹ sư thiết kế các công trình bằng thép.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Bản bụng dầm thép tổ hợp chịu cắt.
- Phạm vi nghiên cứu: Dầm tổ hợp tiết diện chữ I.
- Thu thập, thống kê và tổng hợp tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu tổng quan về cơ sở lý thuyết.
- Tính toán ví dụ cụ thể bằng số cho dầm đơn giản.
Nghiên cứu về sự khác nhau khi tính toán bản bụng của dầm theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Mỹ nhằm giúp cho các kỹ sư trong quá trình thiết kế.
Nội dung của luận văn bao gồm các phần chính như sau:
– Phần mở đầu.
– Chương 1: Tổng quan về dầm thép – bụng dầm.
Giới thiệu đại cương về kết cấu thép: tầm quan trọng, các đặc điểm.
Giới thiệu một số loại dầm và bản bụng dầm thép.
Giới thiệu một số tiêu chuẩn thiết kế thép của các nước.
– Chương 2: Tính toán bản bụng dầm thép chịu cắt.
Tìm hiểu lý thuyết tính toán ổn định của tấm mỏng.
Tính toán bản bụng dầm chịu cắt theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Mỹ.
Nhận xét cách tính theo tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Mỹ.
– Chương 3: Một số ví dụ tính toán – kết luận và kiến nghị.
Tính toán dầm đơn giản theo tiêu chuẩn Việt Nam cho hai trường hợp:
– Bản bụng không có sườn gia cường.
– Bản bụng có sườn gia cường.
Tính toán dầm đơn giản theo tiêu chuẩn Mỹ với nhiều phương án khác nhau khi không kể đến ảnh hưởng của trường lực kéo.
Tính toán dầm đơn giản có kể đến ảnh hưởng của trường lực kéo.
Từ đó rút ra bảng phân tích so sánh sự khác nhau về khối lượng giữa các phương án tính toán. Tiến hành tính toán với các chiều dài nhịp khác nhau để tìm ra giá trị khối lượng bé nhất.
Kết luận kết quả tính toán chương 3.
Phần kết luận: Nhận xét kết quả tìm được. Rút ra kết luận và đưa ra kiến nghị.
Danh mục tài liệu tham khảo.
TỔNG QUAN VỀ DẦM THÉP-BỤNG DẦM
Thép là một trong hai loại vật liệu quan trọng nhất trong xây dựng ở Việt Nam hiện tại cùng với vật liệu bê tông cốt thép. Đặc biệt trong các năm gần đây, việc sử dụng thép đã phát triển nhanh chóng, thay thế cho bê tông cốt thép trong phần lớn nhà xưởng, nhà nhịp lớn và nhiều công trình công cộng khác.
– Khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao. Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn do vật liệu thép có cường độ lớn, lớn nhất trong các vật liệu xay dựng. Độ tin cậy cao là do cấu trúc thuần nhất của vật liệu, sự làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu thép gần sát nhất với các giả thiết tính toán.
– Trọng lượng nhẹ. Kết cấu thép nhẹ nhất trong số các kết cấu chịu lực: bê tông cốt thép, gạch đá, gỗ.
– Tính công nghiệp hóa cao. Do sự sản xuất vật liệu hoàn toàn trong các nhà máy luyện kim, và sự chế tạo kết cấu thép được làm chủ yếu trong các nhà máy chuyên ngành, hoặc ít ra thì cũng dùng những loại máy móc thiết bị chuyên dụng. Kết cấu thép thích hợp nhất với điều kiện xây dựng công nghiệp hóa.
– Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp. Do trọng lượng nhẹ, độ cứng lớn nên việc vận chuyển và lắp ráp kết cấu thép dễ dàng và nhanh chóng. Kết cấu thép dễ sửa chữa, thay thế, tháo dỡ, di chuyển. Điều này đặc biệt quan trọng khi cần cải tạo các cơ sở sản xuất cho phù hợp với các dây chuyền công nghệ mới, các công trình phải di chuyển khi cần thiết, hoặc dễ khôi phục sửa chữa cầu, nhà máy…đã bị hư hỏng, xuống cấp.
– Tính kín. Vật liệu và liên kết kết cấu thép có tính kín không thấm nước, không thấm khí, nên thích hợp nhất cho các công trình bể chứa chất lỏng, chất khí, điều này khó thực hiện với các loại vật liệu khác.
– Bị ăn mòn. Trong môi trường không khí ẩm, nhất là trong môi trường xâm thực, thép bị gỉ, từ gỉ bề mặt cho đến phá hoại hoàn toàn, có thể chỉ sau vài ba năm. Bởi vậy cần bảo vệ chống ăn mòn cho thép, nhất là những nơi ẩm ướt, nơi có hàm lượng các chất ăn mòn cao. Tùy mức độ ăn mòn mà sử dụng các lớp bảo vệ khác nhau cho thép: Sơn thông thường, sơn tĩnh điện, mạ kẽm, mạ nhôm, mạ crôm…Chi phí bảo dưỡng kết cấu thép là khá cao. Nhôm và một số hợp kim nhôm có khả năng chống gỉ cao, gang cũng là vật liệu chống gỉ tốt.
– Chịu lửa kém. Thép không cháy nhưng ở nhiệt độ , thép chuyển sang chảy dẻo, mất khả năng chịu lực, kết cấu bị sụp đổ dễ dàng. Độ chịu lửa của kết cấu thép thậm chí kém cả kết cấu gỗ dán. Bởi vậy, đối với những công trình nguy hiểm về mặt phòng cháy như: kho chất cháy, nhà ở, nhà công cộng, khung thép nhà cao tầng…thép phải được bọc bằng lớp chịu lửa (bê tông, tấm gốm, sơn phòng lửa…).
Do các đặc điểm trên của kết cấu thép, nên kết cấu thép thích hợp với những công trình lớn (nhịp rộng, chiều cao lớn, chịu tải trọng nặng), các công trình cần trọng lượng nhẹ, các công trình cần độ kín không thấm nước hoặc khí. Phạm vi ứng dụng của kết cấu thép rất rộng, có thể chia làm các loại công trình sau:
– Nhà công nghiệp, khung nhà công nghiệp là toàn bộ bằng thép khi nhà cao, cầu trục nặng, hoặc có thể là hỗn hợp cột bê tông cốt thép, dàn và dầm thép.
– Nhà nhịp lớn, là những loại nhà do yêu cầu sử dụng phải có nhịp khá lớn trên 30-40m, như nhà biểu diễn ca nhạc, nhà thi đấu thể dục thể thao, nhà triển lãm, nhà chứa máy bay… dùng kết cấu thép là hợp lý nhất. Có những trường hợp nhịp đặc biệt lớn, ví dụ trên 100m thì kết cấu thép là kết cấu duy nhất sử dụng được. Có thể giảm trọng lượng kết cấu chịu lực nhà nhịp lớn nhờ dùng thép cường độ cao hoặc sử dụng ứng suất trước.
– Khung nhà nhiều tầng, đặc biệt là các kiểu nhà dạng tháp ở các thành phố. Khi nhà trên 20-30 tầng nội lực trong cột sẽ rất lớn, yêu cầu độ cứng cao, dùng khung thép có lợi hơn khung bê tông cốt thép. Với các nhà siêu cao tầng thì kết cấu thép chịu lực chính là biện pháp duy nhất. Hiện nay đối với nhà cao tầng thường dùng kết cấu liên hợp thép-bê tông (cột thép hình bọc hoặc nhồi bê tông cùng chịu lực, sàn liên hợp dầm thép cùng làm việc với bản sàn bê tông), loại kết cấu này có nhiều ưu điểm khi chịu lực và có khả năng chống cháy tốt.
– Cầu đường bộ, cầu đường sắt, làm bằng thép khi nhịp vừa, nhịp lớn, khi cần thi công nhanh. Cầu treo bằng thép có thể vượt được nhịp rất lớn, trên 1000m.
– Kết cấu tháp cao, như các loại cột điện, cột ăngten vô tuyến, tháp trắc đạc, hoặc một số loại kết cấu đặc biệt như tháp khoan dầu. Sử dụng thép ở đây có lợi vì kết cấu nhẹ, dễ vận chuyển, dễ lắp dựng.
– Kết cấu bản, như các loại bể chứa dầu, bể chứa khí, các thiết bị của lò cao, của nhà máy hóa chất, nhà máy hóa dầu. Đây là phạm vi ứng dụng đặc biệt có lợi, nhiều khi là duy nhất của kết cấu thép, vì tính kín, chống thấm của kết cấu thép, vì khả năng làm việc trong những điều kiện bất lợi về nhiệt độ và áp suất.
– Các loại kết cấu di động, như cần trục, cửa van, gương ăngten parabôn…cần trọng lượng nhẹ để có thể di chuyển nâng cất được dễ dàng.
Dầm là một loại kết cấu chủ yếu trong xây dựng. Về mặt chịu lực dầm chủ yếu chịu uốn là chính. Ưu điểm nổi bật của dầm là cấu tạo đơn giản, chi phí chế tạo dầm không lớn. Chính vì những lý do như vậy mà dầm được sử dụng rất phổ biến. Trong xây dựng, dầm được dùng làm: dầm mái nhà, dầm sàn nhà, dầm cho các loại sàn công tác, dầm cầu trục…
Theo đặc điểm cấu tạo của tiết diện, chia dầm thép làm hai loại: dầm thép hình và dầm thép tổ hợp.
Dầm hình làm từ thép hình, thường là từ thép hình chữ I hoặc chữ [ (loại thép cán hoặc thép dập). Dầm hình có thuận lợi là các số liệu về tiết diện đã được cho sẵn theo bảng tra, đặc biệt là kích thước của cánh và bụng đã được tính toán thõa mãn ổn định cục bộ. Nhược điểm của loại dầm này là trọng lượng lớn, chiều cao hạn chế (H<600) khi tải trọng và nhịp lớn sẽ không đủ chịu lực.
Dầm tổ hợp là dầm làm từ các bản thép hoặc từ các bản thép và thép hình. Nếu dùng liên kết hàn để liên kết các bộ phận của dầm thì gọi là dầm tổ hợp hàn. Còn dùng đinh tán hoặc bu lông để liên kết các bộ phận của dầm thì gọi là dầm tổ hợp đinh tán hoặc bu lông.
Hình 1.1 Loại dầm tổ hợp đinh tán
So với dầm đinh tán thì dầm hàn sử dụng ít vật liệu hơn, nhẹ hơn, chi phí cho chế tạo ít và do vậy được dùng phổ biến hơn. Dầm đinh tán chịu tải trọng động và ảnh hưởng của chấn động tốt, thường được dùng làm dầm cầu trục cho đường xe lửa, đường ô tô khi tải trọng lớn hoặc nhịp lớn. Mặc dù vậy, qui trình sản xuất chế tạo phức tạp khó khăn nên những năm gần đây dầm tổ hợp bu lông cường độ cao dần thay thế dầm tổ hợp đinh tán.
Dầm tổ hợp từ các bản thép có khả năng chịu tải trọng và vượt khẩu độ lớn hơn dầm hình. Dạng đơn giản nhất của dầm tổ hợp là tổ hợp bằng liên kết hàn hai bản cánh với tấm bụng tạo thành dầm có tiết diện chữ I, hay dạng hộp…
Một trong các xu hướng hiện nay là sử dụng dầm hàn tổ hợp từ các vật liệu khác nhau dọc theo chiều dài dầm, vật liệu có cường độ cao sẽ được bố trí tại những vị trí có moment hoặc lực cắt lớn, hoặc sử dụng vật liệu khác nhau cho bản cánh và bản bụng (dầm ghép) tạo nên dầm làm việc hợp lý và hiệu quả kinh tế hơn.
Sự hiểu biết hơn về ứng xử của dầm, thép cường độ cao, mức độ tin cậy, mức độ tiên tiến của kỹ thuật hàn hiện nay, có thể tổ hợp được những dầm tổ hợp bản bụng mỏng làm việc hiệu quả trong các trạng thái làm việc khác nhau.
Hình 1.3 Các loại dầm tổ hợp liên kết hàn
Các loại dầm tổ hợp kiểu khác được đề cập trên hình 1.3. Dầm có bụng dầm cấu tạo dạng hộp có độ cứng xoắn lớn dọc theo chiều dài nhịp, dầm ghép tổ hợp từ các vật liệu khác nhau tương ứng với sự phân bố ứng suất trong dầm, dầm tam giác có độ cứng ngang ngoài mặt phẳng dầm lớn.
Việc bố trí, sắp đặt các dầm theo một trật tự, quy luật nào đó tạo thành hệ dầm để chịu và truyền tải trọng và các tác dụng khác. Hệ dầm mái trực tiếp đỡ mái, hệ dầm sàn trực tiếp đỡ bản sàn, hệ dầm cầu trục trực tiếp đỡ mặt cầu…; tùy theo mặt bằng sàn và cách sắp xếp, tổ hợp các dầm trong hệ, người ta chia hệ dầm làm ba loại: Hệ dầm đơn giản, hệ dầm phổ thông, hệ dầm phức tạp.
Hệ dầm đơn giản là hệ chỉ có một hệ thống các dầm bố trí song song với cạnh ngắn của ô sàn. Các dầm này gọi là dầm sàn, trực tiếp đỡ bản sàn, chịu mọi tác dụng truyền tới từ bản sàn và truyền tiếp các tác dụng này đến tường đỡ hoặc các kết cấu bên dưới. Bản sàn làm việc như bản kê hai cạnh (là các dầm sàn) nên độ cứng và khả năng chịu lực của hệ là không lớn. Hệ dầm đơn giản chỉ thích hợp với sàn chịu tải trọng bé và cạnh ngắn của sàn không lớn.
Hệ dầm phổ thông là hệ gồm hai hệ thống dầm đặt vuông góc với nhau và song song với hai cạnh của ô sàn. Các dầm đặt song song với cạnh lớn, tựa lên cột hoặc lên các kết cấu tựa khác gọi là dầm chính. Các dầm đặt song song với cạnh bé của ô sàn, tựa lên dầm chính và truyền tải trọng từ sàn lên dầm chính gọi là dầm phụ. Bản sàn liên kết với dầm thép trên suốt chu vi và làm việc như bản kê bốn cạnh. Khi sàn có kích thước không quá lớn () hoặc khi sàn chịu tải trọng không lớn () thì sử dụng hệ dầm phổ thông là khá phù hợp, đạt được hiệu quả kinh tế hơn so với các loại hệ dầm khác (lượng thép làm hệ dầm và bản sàn ít hơn, cấu tạo đơn giản hơn).
Hệ dầm phức tạp là hệ gồm ba hệ thống dầm: dầm chính đặt song song với cạnh dài của ô bản, dầm phụ đặt song song với cạnh ngắn của ô, dầm sàn đặt vuông góc với dầm phụ (song song với dầm chính). So với hai hệ dầm trên thì hệ dầm này có cấu tạo phức tạp, tốn công chế tạo nhiều; vì vậy chỉ thích hợp khi tải trọng lên sàn lớn ( ).
Các dầm trong hệ dầm được liên kết với nhau theo một trong ba cách: liên kết chồng, liên kết bằng mặt, hoặc liên kết thấp.
– Liên kết chồng là cách cho dầm nọ gác lên dầm kia. Về cấu tạo thì liên kết này đơn giản, thuận lợi cho lắp ghép hệ, nhưng làm tăng chiều cao kiến trúc của hệ sàn, bản sàn chỉ được gối lên hai cạnh nên độ cứng và khả năng chịu lực của sàn không cao; vì vậy chỉ nên dùng với những sàn nhỏ.
– Liên kết bằng mặt là cách cấu tạo để cánh trên của các dầm đều cùng nằm trên cùng một cao độ. Về mặt cấu tạo thì giải pháp này phức tạp hơn liên kết chồng; nhưng việc sử dụng nó có thể giảm được chiều cao kiến trúc của hệ sàn hoặc có thể tăng được chiều cao của dầm (chính hoặc phụ). Bản sàn được kê trên cả bốn cạnh nên độ cứng và khả năng chịu lực đều tăng.
Liên kết chồng và liên kết bằng mặt thường được sử dụng trong hệ sàn phổ thông.
– Liên kết thấp là liên kết mà mặt trên của dầm phụ đặt thấp hơn dầm chính, còn dầm sàn và dầm chính bằng mặt với nhau. Kiểu này thường được dùng trong hệ dầm phức tạp. Liên kết thấp cũng có những ưu điểm tương tự như liên kết bằng mặt, nhưng bản sàn cũng chỉ được kê trên hai cạnh nên độ cứng thấp hơn, đặc biệt cấu tạo thì phức tạp hơn nhiều.
Bản bụng dầm tổ hợp từ thép tấm thường rất mảnh, và nhiều trường hợp cần phải gia cường bằng các sườn cứng để ngăn cản mất ổn định cục bộ do ứng suất nén gây ra từ moment uốn và lực cắt hoặc cả moment uốn và lực cắt tác dụng đồng thời, tùy theo phương pháp thiết kế được sử dụng. Một dầm tổ hợp cao thường được khống chế bằng chiều cao kiến trúc theo yêu cầu thẩm mỹ và điều kiện sử dụng, nhưng thông thường được quyết định lựa chọn bởi kỹ sư thiết kế.
Khi dầm có chiều cao lớn, bản bụng dầm yêu cầu cần phải dày hoặc cần phải có các sườn cứng gia cường cho bản bụng.
Hình 1.10 Dầm có bản bụng được gia cường
Với các dầm đơn giản, mô men uốn lớn nhất ở giữa dầm, do đó có thể chế tạo dầm có chiều cao bản bụng lớn nhất ở giữa dầm. Trong trường hợp kết cấu khung cứng hoặc dầm liên tục, mô men uốn lớn thường xuất hiện ở các gối tựa, dầm có thể được cấu tạo có chiều cao bản bụng thay đổi theo sự phân bố mô men dọc theo chiều dài dầm.
Hình 1.11. Dầm có chiều cao thay đổi
Khi không có yêu cầu hạn chế về chiều cao dầm, tải trọng không lớn lắm nhưng có chiều dài nhịp lớn, bản bụng dầm có thể cấu tạo có các lỗ khoét hoặc bụng rỗng, các lỗ khoét thường được gia cường bằng hệ sườn xung quanh. Vị trí các lỗ dọc theo chiều dài dầm cũng ảnh hưởng đến việc gia cường lỗ. Những lỗ gần đoạn giữa dầm chịu tải trọng phân bố đều sẽ cần ít hoặc thậm chí không cần gia cường trong khi những lỗ gần gối tựa lại cần phải tính toán. Hình dạng lỗ khoét rất đa dạng, loại lỗ khoét tròn hay được sử dụng vì chi phí chế tạo nhỏ. Loại dầm thủng bụng rỗng thường chịu được moment uốn lớn.
Hình 1.12. Dầm tổ hợp bụng rỗng
Khi có yêu cầu về ổn định cục bộ, bụng dầm có thể cấu tạo từ bản lượn sóng, loại bản này có khả năng chống mất ổn định cục bộ lớn. Với cùng trọng lượng vật liệu thì các loại dầm này sẽ có độ bền cao hơn, tuy nhiên chi phí chế tạo chúng cũng phức tạp hơn.
Hình 1.13 Dầm có bản bụng lượn sóng
Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép hiện hành là TCVN 5575-2012, dùng cho các công trình nhà cửa và các công trình dân dụng khác, trừ công trình cầu và hầm. Tiêu chuẩn này không mang tính bắt buộc nhất thiết phải sử dụng, mà là một trong 6 Tiêu chuẩn qui phạm của các nước khác được phép sử dụng. Tiêu chuẩn tải trọng quyết định việc tính toán kết cấu cũng như phương pháp tính toán. Trong xây dựng nhà và công trình phải theo TCVN 2737-95, trong đó qui định việc xác định tải trọng lên công trình theo các hệ số vượt tải của phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn. Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn Việt Nam được thiết kế theo phương pháp trạng thái giới hạn
TÍNH TOÁN BẢN BỤNG DẦM THÉP CHỊU CẮT THEO TCVN 5575:2012 VÀ TIÊU CHUẨN MỸ AISC-2005
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\LUAN VAN KY THUAT\LUAN VAN LOP K26 XDDD\TRAN KHANH LUAN
