Xác định khả năng chịu lực của tiết diện thép tạo hình nguội chữ C có khoét lỗ chịu nén, uốn

Bài viết Xác định khả năng chịu lực của tiết diện thép tạo hình nguội chữ C có khoét lỗ chịu nén, uốn trình bày cách xác định khả năng chịu lực của tiết diện thép chữ C tạo hình nguội có khoét lỗ chịu nén hoặc uốn sử dụng Phương pháp Cường độ trực tiếp (DSM) theo Tiêu chuẩn Mỹ AISI S100-2016.

KHOA HC & CôNG NGHê Xỏc nh kh nng chu lực tiết diện thép tạo hình nguội chữ C có khoét lỗ chịu nén, uốn Determination of sectional capacities of cold-formed steel channel sections with holes under compression or bending Phạm Ngọc Hiếu Tóm tắt Cấu kiện thép tạo hình nguội thường kht lỗ để bố trí hệ thống kỹ thuật cơng trình Sự có mặt lỗ khoét làm giảm khả chịu lực loại tiết diện Bài báo trình bày cách xác định khả chịu lực tiết diện thép chữ C tạo hình nguội có kht lỗ chịu nén uốn sử dụng Phương pháp Cường độ trực tiếp (DSM) theo Tiêu chuẩn Mỹ AISI S100-2016 Một phần mềm phân tích ổn định tuyến tính phát triển Viện thép kim loại Mỹ sử dụngđể phân tích ổn định tuyến tính cho tiết diện chữ Ckht lỗ Các ví dụ tính tốn đưa để xác định khả chịu lực tiết diện khoét lỗ sau so sánh với khả chịu lực tiết diện nguyên Từ khóa: Khả chịu lực; Tiết diện thép tạo hình nguội; Khoét lỗ; Chịu nén, uốn Abstract Cold-formed steel members with holes are commonly used to accommodate the technical systems in the walls or ceilings The presence of holes can lead to the reduction of their sectional capacities This paper, therefore, presents the determination of sectional capacities of cold-formed steel channel sections under compression or bending using the Direct Strength Method (DSM) according to the Specification AISI S100-2016 An elastic buckling analysis software developed by the American Iron and Steel Institute is used to analyze elastic buckling for channel sections with holes Examples are given for the determination of sectional capacities of channel sections with holes, which are then compared to those of gross sections Key words: Sectional capacities; Cold-formed steel sections; Holes; Under compression & bending Giới thiệu Các lỗ khoét thấy nhiều cấu kiện thép tạo hình nguội Các lỗ khoét thường bố trí bụng tiết diện chữ C hay chữ Z nhằm cho phép đường ống kỹ thuật điện, nước, điều hòa xuyên qua tường hay sàn Sự có mặt lỗ khoét làm ảnh hưởng đến tính ổn định khả chịu lực cấu kiện thép tạo hình nguội [1], xem xét đến thông qua việc quy định riêng cho thiết kế cấu kiện có khoét lỗ tiêu chuẩn AISI S100-2016 [2] cách sử dụng phương pháp Cường độ trực tiếp (DSM) Phương pháp áp dụng cho lỗ dạng hình tròn, bầu dục, chữ nhật lỗ dạng rãnh dài Phân tích ổn định tuyến tính yêu cầu bắt buộc sử dụng phương pháp Cường độ trực tiếp thiết kế Với tiết diện nguyên, phân tích ổn định thực cách sử dụng phần mềm CUFSM [3] hay THIN-WALL-2 [4], chi tiết xem thêm Pham [5] Các phần mềm phát triển dựa nguyên lý phương pháp dải hữu hạn, mà không mô tả không liên tục lỗ khoét Do đó, phương pháp gần phát triển dựa nghiên cứu Moen Schafer ([6],[7],[8]) để xác định thành phần tải ổn định tuyến tính tiết diện cấu kiện Để hỗ trợ cho phân tích thiết kế, mơ đun phần mềm phát triển Viện kim loại thép Mỹ cho phép xác định thông tin ổn định tiết diện cách nhanh chóng đơn giản Chi tiết mô đun phần mềm trình bày chi tiết ([9], [10]), phần mềm dùng báo để hỗ trợ cho phân tích ổn định tuyến tính tiết diện Báo cáo trình bày cách xác định khả chịu lực tiết diện thép tạo hình nguội chữ C có kht lỗ Theo làm sở đưa ví dụ tính tốn khả chịu lực tiết diện khoét lỗ có so sánh với khả chịu lực tiết diện nguyên Xác định khả chịu lực tiết diện thép tạo hình nguội có kht lỗ chịu nén uốn theo Tiêu chuẩn AISI S100-16 Thiết kế cấu kiện có khoét lỗ đưa Chương E F tương ứng cho cấu kiện chịu nén uốn tiêu chuẩn AISI S100-2016 [2] cách sử dụng phương pháp Cường độ trực tiếp (DSM) Khả chịu lực tiết diện thép tạo hình nguội có kht lỗ chịu nén hay uốn xác định theo trình bày 2.1 Khả chịu nén tiết diện tạo hình nguội có khoét lỗ Khả chịu nén danh nghĩa tiết diện thép tạo hình nguội có kht lỗ xác định giá trị nhỏ ba thành phần sau: 1) Lực gâychảy dẻo tiết diện giảm yếu Pynet; 2) Lực gây ổn định cục tiết diện Pnl; 3) Lực gâymất ổn định méo tiết diện Pnd Các thành phần xác định sau: - Lực gây chảy dẻo tiết diện giảm yếu: Pynet = AnetFy TS Phạm Ngọc Hiếu Bộ môn Kết cấu thép gỗ, Khoa Xây dựng Email: hieupn@hau.edu.vn ĐT: 0862120185 Ngày nhận bài: 19/7/2021 Ngày sửa bài: 28/8/2021 Ngày duyệt đăng: 9/3/2022 64 (1) Trong Anet diện tích tiết diện giảm yếu; Fy ứng suất chảy vật liệu thép - Lực gây ổn định cục tiết diện: Với λl ≤ 0,776: Pnl = Py (2) Với λl > 0,776:  P Pnl= 1 − 0,15  crl  Py    T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG     0,4     Pcrl   Py      0,4 Py (3) Trong đó: Với λl > 0,776: λl độ mảnh danh nghĩa ổn định cục bộ, λ l = Py / Pcrl ; Py lực gây chảy dẻo tiết diện nguyên; Pcrl lực gây ổn định tuyến tính cục chịu nén tiết diện có khoét lỗ, xác định cách sử dụng phân tích ổn định - Lực gâymất ổn định méo tiết diện: Lực gây ổn định méo tiết diện xác định theo độ mảnh danh nghĩa λd, cụ thể sau: Nếu λd≤ λd2 với λd2 xác định công thức (9): Với λd≤ λd1: Pnd = Pynet (4) Với λd1 0,561:  M ynet − M d2 = M M ynet −  nd  λ d2 − λ d1   ( λ d − λ d1 )  (15) Nếu λd> λd2: Với λd≤ 0,673: Mnd = My  P Pnd= 1 − 0,25  crd  Py        0,6     Pcrd   Py      Py (7) λd độ mảnh danh nghĩa ổn định méo tiết diện, λ d = Py / Pcrd ; Py lực gây chảy dẻo tiết diện nguyên; Pynet lực gây chảy dẻo tiết diện giảm yếu;  M M nd= 1 − 0,22  crd  My        0,5     M crd   My      0,5 My (17) Trong đó: λd độ mảnh danh nghĩa ổn định méo tiết diện, λ d = M y / M crd ; My mô men chảy dẻo tiết diện nguyên; Mynet mô men chảy dẻo tiết diện giảm yếu;  ;     P y = λ d2 0,561 14    Pynet   (16) Với λd> 0,673: 0,6 Trong đó:  Pynet λ d1 = 0,561   Py  (13) Trong (8)     0,4  − 13 ;   Pcrd lực gâymất ổn định tuyến tính méo tiết diện chịu nén tiết diện có khoét lỗ, xác định cách sử dụng phân tích ổn định 2.2 Khả chịu uốn tiết diện tạo hình nguội có kht lỗ Mô men uốn danh nghĩa tiết diện thép tạo hình nguội có kht lỗ xác định giá trị nhỏ ba thành phần sau: 1) Mô men chảy dẻo tiết diện giảm yếu Mynet; 2) Mô men ổn định cục tiết diện Mnl; 3) Mô men ổn định méo tiết diện Mnd Các thành phần mô men xác định sau: - Mô men chảy dẻo tiết diện giảm yếu: (11) Trong Sfnet mơ đun chống uốn tiết diện giảm yếu; Fy ứng suất chảy vật liệu thép - Mô men ổn định cục tiết diện: Với λl ≤ 0,776: Mnl = My     (18)   M y = λ d2 0,673 1,7  (9)   M ynet   1,2 1,2       Pd2= 1 − 0,25     Py ; λ d2    λ d2      (10) Mynet = SfnetFy λ d1  M ynet 0,673  =  My  (12)   M d2= 1 − 0,22    λ d2  − 0,7    (19)       My    λ d2  (20)     2,7 Mcrd mơ men ổn định tuyến tính méo tiết diện chịu uốn tiết diện có khoét lỗ, xác định cách sử dụng phân tích ổn định Ví dụ tính tốn 3.1 Khả chịu nén tiết diện C20015 có khoét lỗ Tiết diện C20015 dùng tính tốn với số liệu cụ thể sau: chiều cao D = 203mm; chiều rộng B = 76mm; sườn biên L = 19,5mm; chiều dày t = 1,5mm; chiều cao lỗ khoét hhole = 40 mm; chiều dài lỗ khoét 200mm Các kích thước tiết diện biểu diễn Hình 1.Sử dụng hệ giằng chống chuyển vị ngang chống xoắn để ngăn cản ổn định tổng thể Khi khả chịu lực cấu kiện tiến tới khả chịu lực tiết diện.Vật liệu thép có thơng số: Ứng suất chảy Fy = 345MPa; Mô đun đàn hồi E = 203400MPa; Sử dụng phần mềm phân tích ổn định đề cập mục 1, xác định giá trị sau: Lực gây chảy S¬ 44 - 2022 65 KHOA HC & CôNG NGHê ca tit din nguyên Py = 195,47 (kN); Lực gây chảy dẻo tiết diện giảm yếu Pynet = 174,77 (kN); Các giá trị lực gây ổn định tiết diện: Pcrl = 31,22 (kN); Pcrd = 66,285 (kN) - Lực gây ổn định cục bộ: Độ mảnh danh nghĩa cục bộ: Py = Pcrl = λl 195, 47 = 2,502 31,22 Vì λl> 0,776, nên Pnl xác định sau:  P Pnl= 1 − 0,15  crl  Py        0,4  0,4     Pcrl  P y   Py     0,4 0,4   31,22    31,22  = 1 − 0,15      × 195, 47  195, 47    195, 47   = 87,089 (kN) - Lực gây ổn định méo tiết diện: Hình Các kích thước tiết diện chữ C Độ mảnh danh nghĩa méo tiết diện: = λd Py = Pcrd 195, 47 = 1,717 66,285 3.2 Khả chịu uốn tiết diện C20015 có khoét lỗ  Pynet   174,77  λ d1 = 0,561  = =  0,561 ×   0,502  Py   195, 47      P y = λ d2 0,561 14    Pynet       0,4  − 13     195, 47 0,4  = 0,561 × 14  − 13= 0,921    174,77   Vì λd>λd2= 0,921 nên Pnd xác định sau:  P Pnd= 1 − 0,25  crd  Py        0,6     Pcrd   Py      0,6 Py 0,6 0,6   66,285    66,285  = 1 − 0,25      × 195, 47  195, 47    195, 47   = 88,812 (kN) Khả chịu nén danh nghĩa tiết diện C20015 có khoét lỗ: Tiết diện C20015 khảo sát cho chịu uốn với số liệu tiết diện lỗ khoét giống tiết diện chịu nén, cụ thể: chiều cao D = 203mm; chiều rộng B = 76mm; sườn biên L = 19,5mm; chiều dày t = 1,5mm; chiều cao lỗ khoét hhole = 40 mm; chiều dài lỗ khoét 200mm Các kích thước tiết diện biểu diễn Hình Sử dụng hệ giằng chống chuyển vị ngang chống xoắn để ngăn cản ổn định tổng thể Khi khả chịu lực cấu kiện tiến tới khả chịu lực tiết diện Vật liệu thép có thông số: Ứng suất chảy Fy = 345MPa; Mô đun đàn hồi E =203400 MPa; Sử dụng phần mềm phân tích ổn định đề cập mục 1, xác định giá trị sau: Mô men chảy dẻo tiết diện nguyên My = 12,245 (kNm); Mô men chảy dẻo tiết diện giảm yếu Mynet = 12,218 (kNm); Các giá trị mô men ổn định tiết diện: Mcrl = 5,630 (kNm); Mcrd = 9,037 (kNm) - Mô men ổn định cục bộ: Độ mảnh danh nghĩa cục bộ: = λl Pn = Min (Pynet, Pnl, Pnd) = Min(174,77kN; 87,089kN; 88,812kN) = 87,089 (kN) Tiết diện C22015 có khoét lỗ bị phá hoại ổn định cục  M M nl= 1 − 0,15  crl  My    Nhận xét: Khi có lỗ khoét, khả chịu nén cục giảm từ 88,87kN xuống 87,089kN, khả chịu nén ổn định méo tiết diện giảm từ 95,10kN xuống 88,812kN Cả hai loại tiết diện bị phá hoại ổn định cục 66 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG     0,4  0,4     M crl  M y   My     0,4 0,4   5,630    5,630  = 1 − 0,15      × 12,245  12,245    12,245   Pn = Min (Py, Pnl, Pnd) Tiết diện nguyên C20015 bị phá hoại ổn định cục 12,245 = 1, 475 5,630 Vì λl> 0,776, nên Mnl xác định sau: Với tiết diện nguyên, khả chịu lực tiết diện xác định dựa theo báo Pham [5] có giá trị sau: = Min(195,47kN; 88,87kN; 95,10kN) = 88,87 (kN) My = M crl = 7,987 (kNm) - Mô men ổn định méo tiết diện: Độ mảnh danh nghĩa méo tiết diện: = λd My = M crd 12,245 = 1,164 9,037 (xem tiếp trang 70) KHOA H“C & C«NG NGHª T¿i lièu tham khÀo Đánh giá hoạt động quản lý nước thải đô thị Việt Nam 2013 Gamuda Engineering, Báo cáo nghiên Nhà máy XLNT, 2008, pp 25-35, 100-150 Nippon Koei Consultant - Japan, Thiết kế sở Nhà máy XLNT Bảy Mẫu, 2011, pp 30-39 Thủ tướng Chính phủ / UBND thành phố Hà Nội, Quy hoạch nước thủ Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn 2050, Thủ tướng phủ phê duyệt định số 725/TTg ngày 10/5/2013, Hà Nội, 2013, pp 7.38-7.44 De Kreuk MK, Pronk M, van Loosdrecht MCM Formation of aerobic granules and conversion processes in an aerobic granular sludge reactor at moderate and low temperatures Water Res 2005;39:4476–84 EPA - Water Environmental Federation, Design of Municipal Wastewater Treatment Plant, vol II, USA: Water Environmental Federation, 2009, pp 11.38-11.39, 13.4-13.25, 15.4-15.104 Gunnar Demoulin, "Largest SBR Facility for Full BNR in Malaysia," Sapienza Universita Di Roma, 2008 Xác định khả chịu lực tiết diện thép tạo hình nguội (tiếp theo trang 66)  M ynet λ d1 = 0,673   My  3   12,218  = = 0,673 ×   0,669   12,245     M y = λ d2 0,673 1,7    M ynet      − 0,7      2,7    12,245  = 0,673 × 1,7 ×  − 0,7  = 0,679   12,218    2,7 Vì λd>λd2= 0,679 nên Mnd xác định sau: 0,5 0,5   M   M  M nd= 1 − 0,22  crd    crd  Py  My    My        0,5 0,5   9,037    9,037  = 1 − 0,22     × 12,245  12,245    12,245   = 8,531(kNm) Mô men chịu uốn danh nghĩa tiết diện C20015 có khoét lỗ: Mn = Min (Mynet, Mnl, Mnd) = Min(12,218kNm; 7,987kNm; 8,531kNm) = 7,987 (kNm) Tiết diện C22015 có khoét lỗ bị phá hoại ổn định cục Với tiết diện nguyên, mô men chịu uốn danh nghĩa tiết diện xác định dựa theo báo Pham [5] có giá trị sau: Mn = Min (My, Mnl, Mnd) = Min(12,245kNm; 9,874kNm; 8,908kNm) = 8,908 (kNm) Tiết diện nguyên C20015 bị phá hoại ổn định méo tiết diện Nhận xét: Khi có lỗ khoét, khả chịu uốn cục giảm từ 9,874kNm xuống 7,987kNm, khả chịu uốn ổn định méo tiết diện giảm từ 8,908kNm xuống 8,531kNm Trong tiết diện nguyên C20015 bị phá hoại ổn định méo tiết diện, C20015 có kht lỗ bị phá hoại ổn định cục Kết luận Bài báo trình bày cách xác định khả chịu lực tiết diện thép tạo hình nguội có kht lỗ sử dụng phương pháp Cường độ trực tiếp (DSM) theo Tiêu chuẩn AISI S10016 Một mô đun phần mềm hỗ trợ cho phép phân tích ổn định tuyến tính tiết diện thép tạo hình nguội có kht lỗ phát triển Viện thép kim loại Mỹ giới thiệu sử dụng báo cáo Dựa lý thuyết phần mềm trình bày trên, ví dụ tính tốn cho tiết diện thép chữ C tạo hình nguội có lỗ kht đưa với trường hợp chịu nén chịu uốn, sau so sánh với khả chịu lực tiết diện nguyên Các kết so sánh cho thấy khả chịu lực tiết diện có lỗ khoét bị giảm so với tiết diện nguyên, đồng thời hai loại tiết diện xảy dạng phá hoại ví dụ chịu nén bị phá hoại hai dạng khác ví dụ chịu uốn./ T¿i lièu tham khÀo R.A Ortiz-Colberg, “The load carrying capacity of perforated cold-formed steel columns,” Cornell University, Ithaca, NY, 1981 American Iron and Steel Institute, North American Specification for the Design of Cold-formed Steel Structural Members Washington DC: American Iron and Steel Institute, 2016 Z Li and B.W Schafer, Buckling analysis of cold-formed steel members with general boundary conditions using CUFSM: Conventional and constrained finite strip methods Saint Louis, Missouri, USA, 2010 V.V Nguyen, G.J Hancock, and C.H Pham, “Devemopment of the Thin-Wall-2 for Buckling Analysis of Thin-Walled Sections Under Generalised Loading,” in Proceeding of 8th International Conference on Advances in Steel Structures, 2015 P.N Hieu and V.Q Anh, “Tính tốn cấu kiện thép tạo hình nguội chịu nén uốn phương pháp DSM theo tiêu chuẩn AS/NZS 70 T„P CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG 4600:2018, Tp chí Khoa học Cơng nghệ xây dựng, no 4, p 9, 2020 C.D Moen, “Direct Strength design for cold-formed steel members with perforations,” Johns Hopkins University, Baltimore, 2008 C.D Moen and B.W Schafer, “Experiments on cold-formed steel columns with holes,” Thin-Walled Structures, vol 46, no 10, pp 1164–1182, 2008 C.D Moen and B W Schafer, “Elastic buckling of cold-formed steel columns and beams with holes,” Engineering Structures, vol 31, no 12, pp 2812–2824, 2009 AISI, “Development of CUFSM Hole Module and Design Tables for the Cold-formed Steel Cross-sections with Typical Web Holes in AISI D100,” 2020 10 AISI, “Development of CUFSM Hole Module and Design Tables for the Cold-formed Steel Cross-sections with Typical Web Holes in AISI D100,” 2021  ... cho tiết diện thép chữ C tạo hình nguội c? ? lỗ khoét đưa với trường hợp chịu nén chịu uốn, sau so sánh với khả chịu l? ?c tiết diện nguyên C? ?c kết so sánh cho thấy khả chịu l? ?c tiết diện c? ? lỗ khoét. .. ;   Pcrd l? ?c gâymất ổn định tuyến tính méo tiết diện chịu nén tiết diện c? ? khoét lỗ, x? ?c định c? ?ch sử dụng phân tích ổn định 2.2 Khả chịu uốn tiết diện tạo hình nguội c? ? kht lỗ Mơ men uốn danh... Mcrd mô men ổn định tuyến tính méo tiết diện chịu uốn tiết diện c? ? khoét lỗ, x? ?c định c? ?ch sử dụng phân tích ổn định Ví dụ tính tốn 3.1 Khả chịu nén tiết diện C2 0015 c? ? khoét lỗ Tiết diện C2 0015