Báo cáo trình bày phương pháp cường độ trực tiếp trong thiết kế cấu kiện thép tạo hình nguội. Phương pháp này sau đó được sử dụng trong tính toán, khảo sát và so sánh khả năng chịu lực của cấu kiện SupaCee và cấu kiện chữ C truyền thống
ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI KHOA XÂY DỰNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP CƯỜNG ĐỘ TRỰC TIẾP (DSM) TRONG TÍNH TOÁN & KHẢO SÁT KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CẤU KIỆN THÉP TẠO HÌNH NGUỘI THEO TIÊU CHUẨN AS/NZS 4600-2018 Hà Nội – 2020 ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI KHOA XÂY DỰNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP CƯỜNG ĐỘ TRỰC TIẾP (DSM) TRONG TÍNH TỐN & KHẢO SÁT KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CẤU KIỆN THÉP TẠO HÌNH NGUỘI THEO TIÊU CHUẨN AS/NZS 4600-2018 Chủ nhiệm đề tài: TS Phạm Ngọc Hiếu Thành viên tham gia: PGS.TS Vũ Quốc Anh Đơn vị công tác: Khoa Xây dựng Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Hà Nội, ngày CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI tháng năm 2020 BAN CHỦ NHIỆM KHOA Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Hà Nội, ngày CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG tháng năm 2020 THỦ TRƯỞNG CƠ QUAN Hà Nội - 2020 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục đích, phạm vi đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Địa áp dụng CHƯƠNG KẾT CẤU THÉP TẠO HÌNH NGUỘI 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Đường cong ứng suất biến dạng thép 1.3 Các phương pháp tạo hình nguội [6] 1.3.1 Cuốn tạo hình 1.3.2 Dập tạo hình 1.4 Ảnh hưởng trình tạo hình nguội đến tính chất học thép 1.4.1 Sự tăng giới hạn chảy thép [6] 1.4.2 Sự biến đổi ứng suất dư trình tạo hình nguội [7] 1.5 Phương pháp tính tốn cấu kiện thép tạo hình nguội 16 1.6 Các dạng cấu kiện thép tạo hình nguội 16 1.7 Tổng kết chương .20 CHƯƠNG LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CHO KẾT CẤU THÉP TẠO HÌNH NGUỘI 2.1 Giới thiệu chung 21 2.2 Lý thuyết ổn định .21 2.2.1 Khái niệm ổn định sau ổn định [12] 21 2.2.2 Các dạng ổn định 22 2.3 Các phương pháp thiết kế cấu kiện thép tạo hình nguội 29 2.3.1 Phương pháp bề rộng hiệu dụng (EWM) 29 2.3.2 Phương pháp cường độ trực tiếp (DSM) 29 2.3.3 Phương pháp cường độ liên tục (CSM) 30 2.4 Giới thiệu phần mềm THIN-WALL-2 32 2.5 Các bước thiết kế cấu kiện thép tạo hình nguội sử dụng phương pháp DSM theo tiêu chuẩn AS/NZS 4600-2018 [3] 34 2.5.1 Phân tích ổn định tuyến tính 34 2.5.2 Áp dụng phương pháp DSM thiết kế cấu kiện thép tạo hình nguội 38 2.6 Tổng kết chương .41 I CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP DSM TRONG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SƯỜN GIA CƯỜNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CẤU KIỆN THÉP TẠO HÌNH NGUỘI 3.1 Giới thiệu chung 42 3.2 Tính toán cột thép chữ C SupaC chịu nén .44 3.2.1 Phân tích ổn định tuyến tính 44 3.2.2 Khả chịu nén cấu kiện dùng chữ C SupaC .47 3.3 Tính tốn dầm thép chữ C SupaC chịu uốn 53 3.3.1 Phân tích ổn định tuyến tính 53 3.3.2 Khả chịu uốn cấu kiện dùng chữ C SupaC .55 3.4 Khảo sát thay đổi GS đến khả chịu lực cấu kiện SupaC 61 3.4.1 Cấu kiện chịu nén 61 3.4.2 Cấu kiện chịu uốn .63 3.4.3 Nhận xét 64 3.5 Tổng kết chương .65 KẾT LUẬN 66 KIẾN NGHỊ 67 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 71 II DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1.Catalogue tiết diện chữ C chữ Z cung cấp BlueScope Lysaght [10] 18 Bảng 1.2 Cường độ thép nhỏ theo tiêu chuẩn AS 1397 [11] 19 Bảng 3.1 Kích thước tiết diện chữ C SupaC .43 Bảng 3.2 Thay đổi thông số GS cho tiết diện SC250 44 Bảng 3.3 Ứng suất ổn định tiết diện chịu nén 45 Bảng 3.4 Khả chịu nén cột theo sơ đồ .52 Bảng 3.5 Ứng suất ổn định tiết diện chịu uốn 53 Bảng 3.6 Khả chịu uốn dầm theo sơ đồ .60 Bảng 3.7 Ứng suất ổn định tiết diện nén 61 Bảng 3.8 Khả chịu nén cột dùng SC250 theo sơ đồ 62 Bảng 3.9 Ứng suất ổn định tiết diện uốn 63 Bảng 3.10 Mô men uốn dầm dùng SC250 theo sơ đồ .64 Bảng A.1 Các đặc trưng hình học tiết diện C SupaC 71 Bảng A.2 Các đặc trưng hình học tiết diện SC250 có GS thay đổi .72 Bảng B.1 Ứng suất ổn định tiết diện nén uốn (MPa) 73 Bảng C.1 Khả chịu nén cấu kiện C SupaC (kN) 74 Bảng C.2 Mô men ổn định cấu kiện chịu uốn 80 III DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Đường cong ứng suất biến dạng Hình Tiết diện chữ Z nguội điển hình Hình 1.3 Các thiết bị tạo hình nguội Hình 1.4 Ảnh hưởng trình tạo hình nguội với đặc điểm ứng suất-biến dạng Hình 1.5 Đường cong ứng suất - biến dạng ống tạo hình nguội Hình 1.6 Đặc tính chịu kéo tiết diện hộp hình vng tạo hình nguội Hình 1.7 Máy thép: (bên trái) thép đưa vào dây truyền cuốn,(bên phải) thép phẳng tạo hình thành hình chữ C 10 Hình 1.8 Sự tạo hình: góc uốn chảy dẻo bật lại thép dẫn đến ứng suất dư phi tuyến dọc theo chiều dày 10 Hình 1.9 Hệ tọa độ ứng suất biến dạng cho trình uốn tạo hình nguội 10 Hình 1.10 Quá trình uốn thép với cuộn thép đưa vào từ phía (a) từ phía (b) 11 Hình 1.11 Quá trình cuộn thép dẫn tới đường cong ứng suất dư 12 Hình 1.12 Sự phân bố ứng suất dọc theo cuộn .13 Hình 1.13 Dự đốn phân bố ứng suất theo phương dọc trình tạo hình 14 Hình 1.14 Quá trình tạo hình thép 14 Hình 1.15 Ứng suất chảy theo phương ngang cặp ngẫu lực bật lại đàn hồi .15 Hình 1.16 Tạo hình nguội thép phẳng xảy gồm có uốn chảy dẻo bật lại đàn hồi dẫn tới cưỡng ứng suất dư theo phương ngang .15 Hình 1.17 Quá trình tạo hình theo phương ngang dẫn đến ảnh hưởng ứng suất theo phương dọc điều kiện biến dạng phẳng .15 Hình 1.18 Tiết diện SupaC (bên trái) SupaZ (bên phải) [10] 17 Hình 2.1 Đường cong ổn định cấu kiện lý thuyết (đường nét liền) cấu kiện thực tế (đường nét đứt) [12] 22 Hình 2.2 Các dạng ổn định 23 Hình 2.3 Phân bố ứng suất thực ứng suất hiệu dụng .25 Hình 2.4 Mất ổn định cục bộ, ổn định méo 27 IV Hình 2.5 Xoắn St Venant 27 Hình 2.6 Oằn xoắn 28 Hình 2.7 Giao diện phần mềm THIN-WALL-2 33 Hình Phân chia dải hữu hạn [47] 33 Hình 2.9 Đường cong ứng suất ổn định tiết diện chịu nén 33 Hình 2.10 Khai báo vật liệu tiết diện .36 Hình 2.11 Khai báo trường hợp tải tác dụng 37 Hình 2.12 Các đặc trưng hình học tiết diện 37 Hình 2.13 Đường “Signature Curve” - ứng suất ổn định tuyến tính tiết diện 38 Hình 3.1 Các kích thước tiết diện chữ C SupaC .42 Hình 3.2 Ứng suất ổn định cục nén 46 Hình 3.3 Ứng suất ổn định méo nén 46 Hình 3.4 Cột chịu nén sơ đồ 47 Hình 3.5 Lực dọc ổn định tổng thể 48 Hình 3.6 Lực dọc ổn định cục 48 Hình 3.7 Lực dọc ổn định méo 49 Hình 3.8 Khả chịu nén cấu kiện 49 Hình 3.9 Cột chịu nén sơ đồ 51 Hình 3.10 Ứng suất ổn định cục uốn 54 Hình 3.11 Ứng suất ổn định méo uốn .54 Hình 3.12 Dầm chịu uốn sơ đồ 55 Hình 3.13 Mơ men ổn định tổng thể 56 Hình 3.14 Mơ men ổn định cục 56 Hình 3.15 Mơ men ổn định méo .57 Hình 3.16 Khả chịu uốn cấu kiện 57 Hình 3.17 Dầm chịu uốn sơ đồ 59 V PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội sử dụng nhiều giới chiếm lòng tin người sử dụng ưu điểm giảm đáng kể chi phí vật liệu, phù hợp với điều kiện sản xuất hàng loạt nhờ dây truyền đại thuận tiện bảo quản, vận chuyển lắp dựng Tại Australia, loại kết cấu áp dụng phổ biến vào nhà thấp tầng kết hợp với vật liệu bao che gố, gạch hay kính Tại Mỹ, từ năm 1960, loạt cơng trình văn phịng, khách sạn, bệnh viện hệ thống trường học sử dụng loại kết cấu thành công Tại Việt Nam, loại kết cấu bước đầu ứng dụng nhận quan tâm nhiều nhà nghiên cứu nhà thiết kế kết cấu Tuy nhiên, việc tính tốn loại kết cấu cịn gặp nhiều trở ngại làm ảnh hưởng đến việc ứng dụng phổ biến loại kết cấu thực tế xây dựng Về lý thuyết tính tốn, tiết diện hiệu dụng phương pháp truyền thống dùng cho tính tốn cấu kiện thép thành mỏng, đề xuất dựa tảng lý thuyết ổn định phẳng [1] Phương pháp bước đầu giải ảnh hưởng ổn định cục đến khả chịu lực cấu kiện Nhưng bộc lộ nhược điểm khối lượng tính tốn lớn khơng tính tốn tiết diện có hình dạng phức tạp tiết diện có nhiều sườn trung gian [2] Phương pháp cường độ trực tiếp (Direct Strength Method) đề xuất giáo sư Grogery Hancook (Australia) phát triển hoàn thiện giáo sư Ben Schafer (Mỹ) giải triệt để nhược điểm Với việc sử dụng phương pháp DSM, quy trình thiết kế cấu kiện thép thành mỏng đơn giản nhanh chóng so với phương pháp tiết diện hiệu dụng truyền thống, đặc biệt tiết diện có hình dạng phức tạp Quy trình thiết kế cịn hỗ trợ phần mềm phân tích ổn định đàn hồi THIN-WALL Australia CUFSM Mỹ Phương pháp đưa vào Tiêu Chuẩn thiết kế thép tạo hình nguội Australia AS/NZS 4600-2018 [3] hay AISI S100-16 [4] Đề tài trình bày phương pháp tính tốn cấu kiện thép tạo hình nguội theo Tiêu chuẩn Australia AS/NZS 4600-2018 [3] sử dụng phương pháp DSM, song song với việc giới thiệu phần mềm THIN-WALL-2 [5] dùng hỗ trợ thiết kế Các tính tốn cho cấu kiện cụ thể đưa ra, với việc khảo sát ảnh hưởng sườn cứng trung gian đến khả chịu lực cấu kiện thép tạo hình nguội, để thấy tính hiệu sườn trung gian đến khả chịu lực cấu kiện thành mỏng Tài liệu hỗ trợ cho nhà nghiên cứu người thiết kế hiểu rõ quy trình thiết kế cấu kiện thép tạo hình nguội, tạo điều kiện cho việc ứng dụng rộng rãi cấu kiện thép cán nguội thực tế thúc đẩy việc cấp bách cần đưa Tiêu chuẩn thiết kế cho thép tạo hình nguội Việt Nam Mục đích, phạm vi đối tượng nghiên cứu Mục đích: Trình bày phương pháp DSM tính tốn cấu kiện thép tạo hình nguội, đánh giá mức độ hiệu sườn gia cường đến khả chịu lực chịu nén chịu uốn Phạm vi nghiên cứu: Tiêu chuẩn AS/NZS 4600-2018 [3] tính tốn cấu kiện thép tạo nguội theo phương pháp Direct Strength Method (DSM) Đối tượng nghiên cứu: Cấu kiện thép tạo hình nguội chữ C chịu nén tâm uốn phẳng Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với hướng dẫn tính tốn phương pháp DSM phần mềm THIN-WALL-2 [5] để cụ thể bước tính tốn phương pháp cường độ trực tiếp (DSM) Khảo sát phần mềm THIN-WALL-2 [5] kết hợp với hướng dẫn tính tốn theo AS/NZS 4600-2018 [3] để đánh giá tính hiệu sườn gia cường cấu kiện thép tạo hình nguội Địa áp dụng Đại học Kiến Trúc Hà Nội CHƯƠNG KẾT CẤU THÉP TẠO HÌNH NGUỘI 1.1 Giới thiệu chung Chương giới thiệu chung kết cấu thép tạo hình nguội, bao gồm (i) đường cong ứng suất biến dạng thép; (ii) phương pháp tạo hình nguội; (iii) ảnh hưởng trình tạo hình nguội đến tính chất học thép giới hạn chảy biến dạng dư; (iv) Các dạng cấu kiện thép tạo hình nguội 1.2 Đường cong ứng suất biến dạng thép Đường cong ứng suất biến dạng xác định dựa thí nghiệm kéo vật liệu, trình bày tài liệu Hancook tác giả [6], tóm tắt lại phần Xét thí nghiệm kéo mẫu thép có chiều dày 1.2mm, đường cong ứng suất biến dạng biểu diễn hình 1.1a Đường cong điển hình cho thép cacbon thấp Đầu tiên khu vực tuyến tính tăng đến 60 (ksi) (414 N/mm2), sau xảy tăng cứng đạt đến ứng suất kéo giới hạn 75ksi (517 N/ mm2) Biến dạng dài mẫu bị phá hoại khoảng 23% Xét thí nghiệm tương tự, dừng lại phút giai đoạn chảy dẻo, điểm A, để thu ứng suất chảy dẻo tĩnh đạt 57.7ksi (398 N/ mm2), thả tải biến dạng trạng thái khơng tải Sau mẫu lại gia tải trở lại, đường cong ứng suất biến dạng thu có dạng hình 1.1b Mẫu thép trải qua q trình gia cơng nguội q trình sản xuất nên khơng cịn điểm chảy dẻo rõ ràng Góc dốc thấp ảnh hưởng q trình gia cơng nguội Giai đoạn tỉ lệ đạt đến xấp xỉ 36 ksi (248 N/ mm2), điểm chảy xác định với biến dạng tương đối 0.2% 65ksi (448 N/ mm2) Cường độ chịu kéo thép đạt 76ksi (524 N/ mm2), độ giãn dài phá hoại khoảng 10% Ảnh hưởng q trình tạo hình nguội phân tích rõ Mục 1.4 ... kiện thép tạo hình nguội 38 2.6 Tổng kết chương .41 I CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP DSM TRONG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SƯỜN GIA CƯỜNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CẤU KIỆN THÉP TẠO HÌNH NGUỘI... TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP CƯỜNG ĐỘ TRỰC TIẾP (DSM) TRONG TÍNH TOÁN & KHẢO SÁT KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CẤU KIỆN THÉP TẠO HÌNH NGUỘI THEO TIÊU CHUẨN AS/NZS 4600-2018... Các phương pháp thiết kế cấu kiện thép tạo hình nguội 29 2.3.1 Phương pháp bề rộng hiệu dụng (EWM) 29 2.3.2 Phương pháp cường độ trực tiếp (DSM) 29 2.3.3 Phương pháp cường độ liên