Áp dụng phương pháp cường độ liên tục (CSM) trong tính toán khả năng chịu uốn của tiết diện thép tạo hình nguội

Các tiêu chuẩn kết cấu thép hiện tại đang xem xét sự làm việc phi tuyến của vật liệu thông qua mô hình đàn dẻo đơn giản. Tuy nhiên, ứng xử ứng suất – biến dạng thực tế của kết cấu thiết kế phức tạp hơn các mô hình đó, đăc biệt là khi tăng cứng. Quá trình chế tạo thép tạo hình nguội cũng là quá trình tăng cứng. Một phương pháp thiết kế mới có kể đến sự tăng cứng này. Phương pháp này gọi là phương pháp cường độ liên tục (CSM), là phương pháp thiết kế trên cơ sở biến dạng dựa trên mối quan hệ liên tục giữa độ mảnh tiết diện và khả năng biến dạng của nó, đồng thời có kể đến sự tăng cứng của vật liệu. Báo cáo sẽ áp dụng phương pháp cường độ liên tục trong tính toán khả năng chịu uốn của tiết diện thép tạo hình nguội và so sánh với kết quả tính toán của phương pháp bề rộng hiệu dụng (Effective Width Method) và phương pháp cường độ trực tiếp (Direct Strength Method).

TAP CHÍ XÂY DỰNG VIỆT NAM - BẢN QUYỀN THUỘC BỘ XÂY DỰNG Vietnam Journal of Construction – Copyright Vietnam Ministry of Construction ISSN 0866-0762 NĂM THỨ 56 56 Year Th 5-2017 MANAGEMENT OF CONSTRUCTION SECTOR GREEN GROWTH 10 SCIENTIFIC RESEARCH 20 Nghiêm Vân Khanh 20 Chu Thị Hải Ninh 23 Đào Duy Hoan; Lương Đức Long 27 Hồ Đức Duy, Nguyễn Thành Chung, Lê Thanh Cao 33 Hoàng Vĩnh Long, Nguyễn Dỗn Bình 38 Lê Anh Dũng, Lê Văn Nam 43 Nguyễn Anh Tuấn, Châu Ngọc Ẩn, Nguyễn Minh Tâm 48 Nguyễn Anh Tuấn, Châu Ngọc Ẩn, Nguyễn Minh Tâm 53 Nguyễn Ngọc Thắng 58 Lê Anh Tuấn, Hồ Minh Khởi, Nguyễn Ninh Thụy 62 Nguyễn Thanh Phong 68 Nguyễn Trường Thắng 71 Phạm Ngọc Hưng, Vũ Quốc Anh, Phạm Ngọc Hiếu 76 Hoàng Vĩnh Long, Nguyễn Đức Lượng, 81 Research of fire - resistant ability of lightweight fireproof-insulating concrete (BNCC) A model for selecting basement formwork system using CBA (choosing by advantages) Estimation of cable tension for cable-stayed bridges and guyed masts by vibration-based methods Study on untilization of urban canal sediment to produce fired brick Treatment methods for cracking concrete floors in the work of civilian constructions The application of centrifuge test to analyse ground surface around tunnel The application of finite element method to analyse passive failure and deformation mechanisms of soil in front of tunnel face The cracking location survey affects the stability of the plate by XFEM Study on workability of mortar replacement by recycle dredged soil in Mekong delta Project risk management process using the British Standard international standard Fire-resistant determination of reinforced concrete columns to EC2-1-2 Determining bending capacity of cold-formed steel sections by the continuous strength method (CSM) A study of concrete containing waste tire rubber replaced nature aggregate Nguyễn Duy Thái, Ngô Kim Tuân, Phạm Văn Quang Trần Thương Bình Trần Văn Miền, Ngũn Ninh Thụy Vũ Thị Bích Quyên, Cao Quốc Khánh Hoàng Huệ Quân Nguyễn Hùng Tuấn, Lê Xuân Huỳnh, Hà Mạnh Hùng Lê Thị Hồng Na, Nguyễn Đại Nhẫn Nguyễn Tấn Nô, Nguyễn Ninh Thụy, Lê Anh Tuấn Đặng Cơng Thuật Đỗ Cao Tín, Nguyễn Minh Tâm, Lê Hoài Long Mai Chánh Trung, Đoàn Trần Hiệp Lê Thanh Cường, Lê Văn Bình, Trần Minh Nhật Trần Quang Hưng Trương Quang Thành, Nguyễn Mạnh Trí Võ Đăng Khoa, Nguyễn Khắc Quân, Lê Hoài Long Phạm Sơn Tùng, Mai Cao Lân, Trương Minh Huy, Phạm Bá Tuân Châu Đoàn Quang Vinh, Lưu Trường Văn Đinh Ngọc Hiếu, Đặng Cơng Thuật Đào Ngọc Thế Lực, Trương Hồi Chính Lê Mạnh Cường, Lê Văn Cư, Hoàng Xuân Hiệp Lê Văn Hùng, Lưu Trường Văn Nguyễn Đắc Hồng, Đào Đình Nhân, Nguyễn Văn Hiếu Đào NgọcThế Lực,Trương Hồi Chính,Trương Quang Hải, NguyễnThành Nhân Nguyễn Đức Lượng, Vũ Việt Hà, Chử Thị Hồng Nhung, Hoàng Vĩnh Long, 85 89 93 97 100 104 109 115 120 126 130 135 140 145 150 156 160 164 168 171 174 180 183 The high leven of water level in water layers in Ha Noi area to stabilize the foundation building construction when earthquake 186 189 193 196 203 209 Identifying obstacles in development of green building in Vietnam Properties of concrete using blast furnace slag cured in steam condition Size optimization of truss using finite element method BOD, Nitrogen and phosphorus removal in wastewater by AAO technology The response surface improvement algorithm applied in fuzzy structure analysis in problem of cross bearing piles Architectural solutions enhancing indoor environmental quality in street houses in Ho Chi Minh city Affects of alumina and silica fine particle on activity ratio and reaction of geopolymer mortar Improving the efficiency of Monte - Carlo method for structural reliability analysis using classification approach based on Support Vector Machine (SVM) Social network analysis application for analysising coordination among parties in construction projects A study on influence of composition of super-plasticizer admixture with respect to friction between concrete bulk and pipe wall Analysis multi-floor building under earthquake ground motion simulation in Ho Chi Minh city Lateral buckling of tapered steel beam – some case studies Effect of surcharge on lateral earth pressure on retaining wall The relationships between personality and job performance of civil engineer in Viet Nam Application of self organizing map in construction, geology and petroleum industry Identifying factors affecting job satisfaction of civil engineers working at Project Management Board of HCMC Department of Health Study on shrinkage characteristics of concrete reinforced with amorphous steel fiber Concrete-Filled Tube Column to Reinforcement Concrete band-beam Connections – Solution and experimental research Mechanism innovation in determination of construction investment consultant fees Identifying factors affecting job effectiveness of workers in highrise buildings construction in Ho Chi Minh City Effect of shear-wave velocity Vs,30 on the collapse of a reinforced concrete planar frame model Abaqus simulation for Concrete-Filled Steel Tube Column to Reinforcement Concrete Band-Beam Connections Using rubber derived from discarded tires as aggregate for producing cement concrete: Studying trend in countries over the world and potential in Vietnam Ngô Kim Tuân, Nguyễn Duy Thái, Phạm Văn Quang Nguyễn Minh Hùng, Lưu Trường Văn Lê Trọng Nghĩa, Nguyễn Quốc Trung Nguyễn Thị Lan Hương Trần Ngọc Tuấn, Trần Tuấn Anh Trần Quốc Tỉnh, Nguyễn Trọng Hiếu, Khổng Trọng Toàn Phan Khắc Hải, Đỗ Hữu Đạo Chairman: Minister Pham Hong Ha Editor-in-Chief: Tran Thi Thu Ha Analysis the level influence of pile to horizontal displacement of diaphragm wall in deep excavation An overview of stability theory for delayed systems Calculation optimization of bearing capacity of bored pile designing problem based on the sensitivity analysis of shear strength of soil and inverse reliability analysis Dynamic analysis of beams on two parameters viscoelastic Pasternak foundation subjected to the moving load and considering effects of beam roughness Analysis of the internal force in tunnel lining using two solutions diaphagm wall reinforced exca-vation during construction Office: 37 Le Dai Hanh, Hanoi Editorial Board: 04.39740744; 0983382188 Design: Thac Cuong, Quoc Khanh Publication: No: 372/GP-BTTTT date 5th, July/2016 Account: 113000001172 Joint Stock Commercial Bank of Vietnam Industrial and Commercial Branch, Hai Ba Trung, Hanoi Printed in: Nhandan printing HCMC limited Company Editorial commission: Le Quang Hung, Ph.D (Chairman of Editorial commission) Assoc Prof Pham Duy Hoa, Ph.D Assoc Prof Nguyen Minh Tam, Ph.D Le Trung Thanh, Ph.D Tran Van Khoi, Ph.D Assoc Prof Ho Ngoc Khoa, Ph.D Scientific commission: Prof Nguyen Van Lien, Sc.D (Chairman of Scientific Board) Prof Phan Quang Minh, Ph.D Secretary of Scientific Council Prof Nguyen Thi Kim Thai, Ph.D Prof Nguyen Huu Dung, Ph.D Prof Cao Duy Tien, Ph.D Prof Hiroshi Takahashi, Ph.D Prof Chien Ming Wang, Ph.D Ass Prof Nguyen Quoc Thong, Ph.D 5.2017 Áp dụng phương pháp cường độ liên tục (csm) tính tốn khả chịu uốn tiết diện thép tạo hình nguội The application of continuous strength method (csm) to caculate bending capacity of cold-formed steel sections Ngày nhận bài: 13/3/2017 Ngày sửa bài: 8/4/2017 Ngày chấp nhận đăng: 5/5/2017 Phạm Ngọc Hưng, Vũ Quốc Anh, Phạm Ngọc Hiếu TÓM TẮT Các tiêu chuẩn kết cấu thép xem xét làm việc phi tuyến vật liệu thông qua mơ hình đàn dẻo đơn giản Tuy nhiên, ứng xử ứng suất – biến dạng thực tế kết cấu thiết kế phức tạp mơ hình đó, đăc biệt tăng cứng Quá trình chế tạo thép tạo hình nguội trình tăng cứng Một phương pháp thiết kế có kể đến tăng cứng Phương pháp gọi phương pháp cường độ liên tục (CSM), phương pháp thiết kế sở biến dạng dựa mối quan hệ liên tục độ mảnh tiết diện khả biến dạng nó, đồng thời có kể đến tăng cứng vật liệu Báo cáo áp dụng phương pháp cường độ liên tục tính tốn khả chịu uốn tiết diện thép tạo hình nguội so sánh với kết tính tốn phương pháp bề rộng hiệu dụng (Effective Width Method) phương pháp cường độ trực tiếp (Direct Strength Method) Từ khóa: Khả chịu uốn – Tiết diện thép tạo hình nguội – phương pháp cường độ liên tục ABSTRACT The present generation of international structural steel design codes treats material nonlinearity through simplified elastic-plastic models However, the actual stress-strain response of structural steel is more complex than this and features, in particular, strain hardening Cold-formed processes are also considered as strain hardening A new design method, referred to as the continuous strength method (CSM), is a deformation-based design approach employing a continuous relationship between cross-sectional slenderness and cross- sectional deformation capacity, together with a material model that allows for strain hardening This paper introduces the Continuous Strength Method in determining bending capacity of cold-formed steel sections and comparing to those calculated by the Effective Width Method (EWM) and the Direct Strength Method (DSM) Key words:Bending capacity - cold-formed steel sections – the continuous strength method Phạm Ngọc Hưng Ths, Ban Xây dựng Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải PGS, TS Vũ Quốc Anh Trưởng môn Kết cấu thép Đại học Kiến Trúc Hà Nội NCS Phạm Ngọc Hiếu Trường Đại học Sydney, Australia 76 05.2017 Mở đầu Theo lý thuyết tính tốn thép tạo hình nguội, phương pháp bề rộng hiệu dụng đề xuất dựa tảng lý thuyết ổn định phẳng Phương pháp bề rộng hiệu dụng bước đầu giải ảnh hưởng ổn định cục đến khả chịu lực cấu kiện Tuy nhiên, phương pháp bộc lộ nhươc điểm khối lượng tính tốn lớn khơng tính tốn tiết diện có hình dạng phức tạp tiết diện có nhiều sườn trung gian Phương pháp cường độ trực tiếp (Direct Strength Method) đề xuất giáo sư Hancook [6] phát triển hoàn thiện giáo sư Ben Schafer (Mỹ) giải cách triệt để nhược điểm Các phương pháp đề cập nhiều tài liệu [2,6] Một đặc điểm chung hai phương pháp xem xét làm việc phi tuyến vật liệu thơng qua mơ hình đàn dẻo đơn giản Tuy nhiên, đường cong ứng suất-biến dạng thực tế kết cấu phức tạp mơ hình đó, đặc biệt vật liệu tăng cứng trình tạo hình nguội Sự tăng cứng làm tăng cường độ vật liệu vượt qua giới hạn chảy dẻo xảy biến dạng chảy dẻo Gardner [5] đề xuất phương pháp có tên cường độ liên tục (Continuous Strength Method) nhằm xét ảnh hưởng trình tăng cứng đến ứng xử thiết kế kết cấu thép Áp dụng phương pháp cường độ liên tục (CSM) cho xác định khả chịu uốn tiết diện [1] CSM phương pháp dựa sở biến dạng gồm hai thành phần – (1) đường cong sở định nghĩa mức độ biến dạng tiết diện dạng danh nghĩa (2) mơ hình vật liệu, cho phép xét đến tăng cứng, kết nối với đo đạc ứng suất, sử dụng để xác định khả chịu lực tiết diện - Đường cong sở thiết kế Môt điểm CSM liên quan khả chịu lực tiết diện với khả biến dạng nó, mà kiểm soát độ mảnh tiết diện nhạy cảm với ảnh hưởng ổn định cục Khả biến dạng tiết diện xác định khả tiết diện có xét đến vùng tăng cứng dẫn đến khả chịu tải Một đường cong sở thiết kế, đưa mối quan hệ liên tục khả biến dạng danh nghĩa độ mảnh tiết diện, thành lập dựa số liệu thí nghiệm cột ngắn dầm - Định nghĩa độ mảnh tiết diện Với CSM, độ mảnh tiết diện định nghĩa dạng không thứ nguyên xác định bậc hai tỉ số cường độ chảy f� chia cho ứng suất ổn định đàn hồi tiết diện Với tiết diện gồm nhiều liên kết với nhau, ứng suất ổn định đàn hồi tiết diện nguyên cho phép xem xét tương tác phần, xác định phương pháp số phương pháp phân tích gần Cách sử dụng DSM chấp nhận phân tích Định nghĩa độ mảnh tiết diện đưa công thức (1) liên quan đến kích thước đường tâm Để thống với định nghĩa độ mảnh Eurocode, mà dựa bề rộng phần tử phẳng, kết giá trị độ mảnh nhân với giá trị lớn tỉ số bề rộng phần phẳng cho bề rộng đường tâm tiết diện đưa công thức (2) Như đề xuất EN 1993-1-4 1993-1-5 [3,4], ứng suất ổn định tuyến tính lấy giá trị nhỏ phẳng, kết độ mảnh tiết diện đưa cơng thức (3) Trong b chiều rộng, t chiều dày, ε hệ số vật liệu k σ hệ số ổn định - λp = fy giảm tải giới hạn chia cho chiều dài cột dùng để định nghĩa biến dạng phá hoại tiết diện ổn định phi tuyến- thể hình Khả biến dạng tính biến dạng ồn định cục trừ biến dạng chảy dẻo 0.2% ứng suất tới hạn Khả biến dạng tiết diện đưa công thức Khả biến dạng danh nghĩa tiết diện xác định cách chia cho biến dạng chảy dẻo để xem xét khác vật liệu cường độ so sánh (1) σcr,cs fy  c flat  λp =   σcr,cs  ccl max - λ cs =λp = Trên hình thể điểm chảy xảy tương ứng với độ mảnh 0.68; giá trị tương tự với thép bon nhôm hợp kim Các độ mảnh giới hạn khác đưa báo cáo, với phần tử nén 0.739, với thép cacbon 0.5 Dựa tiết diện thép cacbon, giới hạn 0.776 đưa cho DSM, lấy với hệ số an toàn cao theo tiêu chuẩn châu âu Xem xét thơng tin có sẵn, lấy độ mảnh chuyển đổi tiết diện mảnh không mảnh cho thép không gỉ, thép cacbon nhôm hợp kim 0.68 phù hợp Độ mảnh dùng cho CSM độ mảnh khơng có ảnh hưởng đáng kể tăng cứng, tiết diện mảnh xem xét phương pháp bề rộng hiệu dụng Với cột ngắn tải thí nghiệm vượt giới hạn chảy tiết diện Ny , fy σ cr,p,min = (2) b 28,4ε k σ (3) - Định nghĩa khả biến dạng tiết diện Khả biến dạng tiết diện định nghĩa dạng danh nghĩa xem xét thông qua tỉ số σ csm / σ y , xác định từ thí nghiệm cột ngắn dầm Đầu tiên, độ mảnh giới hạn định nghĩa chuyển tiếp tiết diện mảnh (ví dụ bị phá hoại ổn định cục nhỏ ứng suất chảy) tiết diện không mảnh (ví dụ có xảy tăng cứng phá hoại ổn định cục phi tuyến cao ứng suất chảy) Giới hạn xác định với kết thí nghiệm hình Hình Sự giảm tải giới hạn chia cho chiều dài cột dùng để định nghĩa biến dạng phá hoại tiết diện ổn định phi tuyến Với tiết diện mà phá hoại trước chảy, biến dạng bị ảnh hưởng ứng xử ổn định tuyến tính sau ổn định, khái niệm ứng suất ổn định cục khơng phù hợp dẫn đến dự đốn khơng xác khả chịu lực Vì vậy, tỉ số tải giới hạn chia cho tải chảy sử dụng đưa phương pháp thay phù hợp tỉ số ứng suất – đưa công thức (5) Công thức sử dụng để định nghĩa độ mảnh tiết diện Cơng thức (6), độ mảnh tiết diện lớn giói hạn xác định 0.68 Với λp  0,68 εcsm εlb -0,002 δu /L-0.002 = = Nu  Ny εy εy εy (4) εcsm Nu = Khi Nu 0,68 εcsm Nu = εy Ny (6) Với uốn, giả thiết mặt phẳng tiết diện phẳng vng góc với trục trung hịa, có mối liên hệ tuyến tính ứng suất độ cong k đưa cơng thức (7), y khoảng cách từ trục trung hịa Vì vậy, tương tự sử dụng dự liệu cột ngắn, định nghĩa tương tự khả chịu biến dạng tiết diện danh nghĩa hình thành dựa kết thí nghiệm dầm Kết thí nghiệm uốn Hình 1.So sánh kết kiểm tra 81 cột với Tiêu chuẩn EN 1993-1-4 05.2017 77 điểm, mà có vùng cong điểm tải tác dụng, xem xét Với dầm có khả chịu mô men Mu vượt khả chịu mô men đàn hồi Mel , tổng độ cong momen giới hạn k u nhân với khoảng cách từ trục trung hòa tới thớ biên chịu tiết diện y max sử dụng để định nghĩa biến dạng phá hoại ổn định cục phi tuyến – xem hình Tỉ số ứng suất tương ứng nhận dẫn đến cách tương tự cho thí nghiệm cột ngắn đưa cơng thức (8) k el độ cong đàn hồi tương ứng với Mel đưa M el /EI , E mơ dun đàn hồi vật liệu I mơ men qn tính Với tiết diện phá hoại trước đạt đến khả chịu mo men tuyến tính, tỉ số khả chịu lực tới hạn mô men đàn hồi tiết diện sử dụng để định nghĩa tỉ số biến dạng, đưa công thức (9).Biến dạng nén uốn phân bố dọc tiết diện thể cho tiết diện chữ I hình nghiệm vẽ biểu đồ khả biến dạng danh nghĩa theo độ mảnh tiết diện, hình Dạng tổng quát hàm liên tục biểu diễn cơng thức (11) sau trùng hợp với kết thí nghiệm; hàm có dạng tương tự để hình thành mối quan hệ biến dạng ổn định tuyến tính danh nghĩa độ mảnh phẳng đưa công thức (12), khác ảnh hưởng ổn định phi tuyến, khơng xác, ứng suất dư ứng xử sau ổn định Giá trị A B xác định theo đồng phù hợp công thức (11) số liệu thí nghiệm, đảm bảo đường cong thu qua điểm giới hạn xác định tiết diện mảnh không mảnh (0.68, 1), kết công thức (13) Hai giới hạn thay vào khả biến dạng dự đoán tiết diện; giới hạn đầu 15 tương ứng với vật liệu dẻo theo yêu cầu EN 1993-1-1 giới hạn hai 0.1ε� /ε� , ε� biến dạng tương ứng với ứng suất kéo tới hạn, liên quan đến mơ hình ứng suất biến dạng vật liệu phù hơp, đảm bảo không vượt nhiều khả chịu lực tiết diện Hình Độ cong Mơ men giới hạn Hình Biến dạng nén uốn phân bố dọc tiết diện thể cho tiết diện chữ I Với ε = ky (7) Với λp  0,68 ε csm ε lb -0,002 k u y m ax -0.02 M  M = = u el εy εy k el y m ax (8) ε csm M u Mu fy phương pháp cường độ liên tục (CSM) có kể đến q trình tăng cứng Vì mà phương pháp có kết sát so với kết thực tế - Phương pháp cường độ liên tục (CSM) dùng để thay cho tính tốn khả chịu lực tiết diện dựa quan hệ liên tục độ mảnh tiết diện với khả biến dạng tăng cứng vật liệu - Phương pháp CSM áp dụng cho tiết diện hiệu dụng toàn Nói cách khác, phương pháp CSM dùng ứng dụng cấu kiện cho độ mảnh nhỏ Với cấu kiện có độ mảnh lớn áp dụng phương pháp bề rộng hiệu dụng (EWM) phương pháp cường độ trực tiếp (DSM) có độ tin cậy cao Nguyên nhân: độ mảnh cao cấu kiện lớn dễ bị ổn định, làm cho cường độ bị phá hoại nhỏ cường độ chảy dẻo fy, nên tăng cứng trình tạo hình nguội ảnh hưởng không đáng kể đến khả chịu lực cấu kiện Do đó, kết hai phương pháp phản ánh làm việc cấu kiện thép - Kết luận chung phương pháp cường độ liên tục (CSM) phương pháp hỗ trợ cho hai phương pháp bề rộng hiệu dụng (EWM) phương pháp cường độ trực tiếp (DSM) tính tốn cấu kiện hiệu dụng toàn cấu kiện ngắn xét đến ảnh hưởng tăng cứng đến khả chịu lực tiết diện TÀI LIỆU THAM KHẢO Afshan S., Gardner L., ‘The continuous strength method for structural stainless steel design’, Thin-Walled Structures 68, pp 42-49, 2013 Australian/New Zealand Standard AS/NZS 4600: 2005, ‘Cold-formed steel structures’, 2005 European Standard EN 1993-1-3, ‘General rules – Supplementary rules for cold-formed members and sheeting’, 2004 European Standard EN 1993-1-5, ‘Design of steel structures – Part-1-5: Plated structural elements’, 2006 Gardner L., Wang F., and Liew A., ‘Influence of strain hardening on the behavior and design of steel structures’, International Journal of Structural Stability and Dynamics, pp 855-875, 2011 Hancook G J., Murray T M., Ellifritt D S., ‘Cold-formed Steel Structures to the AISI Specification’, The United States of America, 2001  ... quan hệ liên tục độ mảnh tiết diện khả biến dạng nó, đồng thời có kể đến tăng cứng vật liệu Báo cáo áp dụng phương pháp cường độ liên tục tính tốn khả chịu uốn tiết diện thép tạo hình nguội so sánh... kết hai phương pháp phản ánh làm việc cấu kiện thép - Kết luận chung phương pháp cường độ liên tục (CSM) phương pháp hỗ trợ cho hai phương pháp bề rộng hiệu dụng (EWM) phương pháp cường độ trực... kết tính tốn phương pháp bề rộng hiệu dụng (Effective Width Method) phương pháp cường độ trực tiếp (Direct Strength Method) Từ khóa: Khả chịu uốn – Tiết diện thép tạo hình nguội – phương pháp cường