Bài viết Ảnh hưởng của lỗ khoét đến khả năng chịu lực của tiết diện thép tạo hình nguội khi uốn khảo sát ảnh hưởng của sự thay đổi kích thước lỗ khoét đến khả năng chịu uốn của tiết diện thép chữ C tạo hình nguội. Các phân tích sau đó được đưa ra dựa trên các kết quả khảo sát nhằm lựa chọn kích thước lỗ khoét, cho phép tối ưu hóa khả năng chịu lực của tiết diện khảo sát.
Ảnh hưởng lỗ khoét đến khả chịu lực tiết diện thép tạo hình nguội uốn Influence of web holes on the sectional capacities of cold-formed steel channel sections under bending Phạm Ngọc Hiếu(1), Vũ Quốc Anh(2) Tóm tắt Cấu kiện dầm thép tạo hình nguội khoét lỗ bụng yêu cầu lắp đặt hệ thống kỹ thuật, điều dẫn đến giảm khả chịu uốn cấu kiện Ảnh hưởng lỗ khoét đến khả chịu lực tiết diện thép tạo hình nguội quy định Tiêu chuẩn thép Mỹ AISI S100-16 với việc phát triển phương pháp Cường độ trực tiếp (DSM) thiết kế Phương pháp cho phép đưa dự đoán khả chịu lực tiết diện dựa phân tích ổn định tuyến tính Dựa quy định tiêu chuẩn AISI S100-16, báo khảo sát ảnh hưởng thay đổi kích thước lỗ khoét đến khả chịu uốn tiết diện thép chữ C tạo hình nguội Các phân tích sau đưa dựa kết khảo sát nhằm lựa chọn kích thước lỗ khoét, cho phép tối ưu hóa khả chịu lực tiết diện khảo sát Từ khóa: Lỗ khoét, khả chịu lực, tiết diện thép tạo hình nguội, chịu uốn Abstract Web holes are commonly pre-punched in cold-formed steel beams to meet the demand of technical system installations The influence of web holes on the sectional capacities of cold-formed steel sections has been regulated in AISI S100-16 with the development of the Direct Strength Method (DSM) in the design This method allows predicting the capacities of cold-formed steel sections based on elastic buckling analyses Based on the regulations in AISI S100, this paper investigates the effects of variations of web hole dimensions on the flexural capacities of cold-formed steel channel sections The analyses are subsequently given based on the investigated results to select the proper web hole dimensions, which allows for optimization of the sectional capacities of the investigated channel section Key words: Web holes, sectional capacities, cold-formed steel sections, bending Giới thiệu Cấu kiện dầm thép tạo hình nguội cơng trình dân dụng thường bị khoét lỗ phần bụng để bố trí hệ thống kỹ thuật Sự có mặt lỗ khoét làm ảnh hưởng đến khả chịu lực tiết diện [1], đưa vào tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép tạo hình nguội Hoa Kỳ AISI S100 [2] với dạng lỗ kht dạng hình trịn, bầu dục, chữ nhật dạng rãnh dài Khả chịu lực tiết diện xác định theo phương pháp Cường độ trực tiếp (Direct Strength Method – DSM), cho phép xác định khả chịu lực tiết diện thông qua giá trị ổn định tuyến tính tiết diện Các giá trị ổn định tuyến tính xác định thơng qua phân tích ổn định sử dụng phần mềm phát triển Viện kim loại thép Hoa Kỳ ([3], [4]) dựa nghiên cứu Moen Schafer ([5],[6],[7]) Dựa quy định tiêu chuẩn AISI S100, báo khảo sát ảnh hưởng kích thước lỗ khoét đến khả chịu lực tiết diện thép chữ C tạo hình nguội Kết khảo sát làm sở cho việc phân tích để lựa chọn kích thước hợp lý lỗ khoét tiết diện dầm để đạt hiệu thiết kế Khả chịu uốn tiết diện thép tạo hình nguội có khoét lỗ Khả chịu uốn danh nghĩa tiết diện thép tạo hình nguội lấy giá trị nhỏ ba giá trị mô men, bao gồm mô men chảy dẻo tiết diện giảm yếu (Mynet), mô men ổn định cục tiết diện (Mnl), mô men ổn định méo tiết diện (Mnd) mà xác định trình bày Mô men chảy dẻo tiết diện giảm yếu M ynet = S fnet Fy (1) Mô men ổn định cục tiết diện Với λl ≤ 0, 776 : M nl = My (2) Với M 1 − 0,15 crl λl > 0, 776 : M nl = M y 0,4 M crl M y 0,4 My (3) Mô men ổn định méo tiết diện Nếu λd ≤ λd : Với λd ≤ λd : M nd = M ynet (1) TS, Giảng viên, khoa Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Email: (2) PGS.TS, Giảng viên, khoa Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Email: Ngày nhận bài: 28/03/2022 Ngày sửa bài: 18/04/2022 Ngày duyệt đăng: 5/7/2022 (4) Với M − Md2 λd < λd ≤ λd : M nd= M ynet − ynet (λd − λd ) λd − λd Nếu λd > λd : Với λd ≤ 0, 673 : M nd = My (5) (6) Với M 1 − 0, 22 crd λd > 0, 673 : M nd = M y 0,5 M crd M y 0,5 My S¬ 45 - 2022 (7) 99 KHOA HC & CôNG NGHê a) b) Hình Các kích thước tiết diện chữ C khoét lỗ (a) giao diện phần mềm phân tích ổn định tiết diện (b) a) b) Hình Kết phân tích ổn định cục (a) méo tiết diện (b) tiết diện chữ C có lỗ khoét kích thước lỗ kht thay đổi Trong đó: M d 2= 1 − 0, 22 My λd λd Sfnet mô đun chống uốn tiết diện giảm yếu; Fy ứng suất chảy vật liệu thép; λ1, λ2 độ mảnh danh nghĩa ổn định cục méo tiết diện, λl = M y / M crl ; λd = M y / M crd ; My, Mynet mô men chảy dẻo tiết diện nguyên tiết diện giảm yếu; Mcrl, Mcrd mô men ổn định tuyến tính cục méo tiết diện có lỗ khoét, xác định sử dụng phân tích ổn định trình bày Mục λd1, λd2; độ mảnh danh nghĩa liên quan đến ổn định méo tiết diện; M M ynet y ; λd 0, 673 1, λd = 0,= 673 M M y ynet 100 2,7 − 0, ; Khảo sát ảnh hưởng kích thước lỗ khoét đến khả chịu uốn tiết diện thép chữ C tạo hình nguội Tiết diện dùng khảo sát C25015 với kích thước hình học, bao gồm chiều cao D = 254mm; chiều rộng B = 76mm; sườn biên L = 21,5mm; chiều dày t = 1,5mm Chiều cao lỗ khoét thay đổi từ 0,2 đến 0,8 lần chiều cao tiết diện, chiều dài lỗ khoét dao động từ 0,5 đến lần chiều cao tiết diện Các thông số đặc trưng tiết diện biểu diễn Hình 1(a) Vật liệu thép dùng khảo sát có đặc trưng vật liệu, bao gồm ứng suất chảy Fy = 345MPa, mô đun đàn hồi E = 203400MPa 3.1 Phân tích ổn định tuyến tính tiết diện khảo sát T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG Phân tích ổn định thực mô đun phần mềm phát triển dựa tảng phần mềm CUFSM [8], thể Hình 1(b) Dựa theo báo cáo Pham [9] mô men ổn định cục phụ thuộc vào tỉ số chiều cao lỗ kht chiều cao tiết diện hhole/D, cịn mơ men ổn định méo tiết diện lại chịu ảnh hưởng chiều dài lỗ khoét Lhole/D Khảo sát xác định mô men ổn định tiết diện hai loại ổn định ứng với thay đổi chiều cao chiều dài lỗ khoét, kết đưa Hình Kết thu cho thấy kích thước lỗ khoét tăng lên mơ men ổn định cục tuyến tính tăng lên cịn mơ men ổn định méo tiết diện giảm xuống Với ổn định cục bộ, chiều cao lỗ khoét nhỏ mô men ổn định vị trí lỗ khoét nhỏ giảm đến 40% so với tiết diện nguyên nên ổn định xảy vị trí lỗ khoét Khi tỉ số hhole/D lớn 0,6 mơ men ổn định cục lỗ khoét lớn so với tiết diện nguyên, nên ổn định cục xảy phần tiết diện nguyên hai lỗ khoét mô men ổn định cục tiết diện khoét lỗ lấy mô men cục tiết diện nguyên Điều giải thích kích thước lỗ khoét tăng làm cho phần phẳng cịn lại phía lỗ khoét bụng giảm, dẫn đến độ mảnh phần bụng giảm tính ổn định tăng Với ổn định méo tiết diện, mô men ổn định méo tiết diện giảm xuống 50% chiều dài lỗ khoét tăng đến lần chiều cao tiết diện a) Mất ổn định cục 3.2 Xác định khả chịu uốn tiết diện khảo sát Khả chịu uốn tiết diện chữ C25015 khảo sát xác định dựa theo cơng thức trình bày Mục Kết khảo sát đưa với hai thành phần mô men, bao gồm mô men gây ổn định cục mô men gây ổn định méo tiết diện, biểu diễn Hình 3(a) 3(b) Trong mơ men gây ổn định cục phụ thuộc vào chiều cao lỗ khoét (hhole/D), cịn mơ men gây ổn định méo tiết diện phụ thuộc vào chiều cao chiều dài lỗ khoét Khả chịu uốn tiết diện khảo sát giá trị nhỏ hai thành phần mô men biểu diễn Hình 3(c) b) Mất ổn định méo tiết diện Hình 3(a) cho thấy mô men ổn định cục tiết diện giảm khoảng 20% so với tiết diện nguyên với chiều cao lỗ khoét nhỏ (hhole/D=0,2) Giá trị tăng lên tiến đến mô men ổn định cục tiết diện nguyên hhole/D>0,6, ổn định cục xảy ví trí hai lỗ kht thay vị trí lỗ kht Mơ men ổn định méo tiết diện có xu hướng giảm chiều dài lỗ khoét tăng, giảm tới khoảng 30% so với tiết diện nguyên Khi chiều cao lỗ khoét tăng, mô men ổn định méo bị ảnh hưởng không đáng kể Điều thấy mơ men ổn định méo không thay đổi chiều cao lỗ khoét thay đổi từ tỉ số hhole/D từ 0,2 đến 0,7, giảm xuống chút tỉ số hhole/D = 0,8 Khả chịu lực danh nghĩa tiết diện khảo sát thấy Hình 3(c) cho thấy mơ men ổn định cục đóng vai trị chủ đạo với tỉ số hhole/D từ 0,2 đến 0,6 nên đường biểu diễn có thay đổi đáng kể so với Hình 3(b), mơ men ổn định méo tiết diện định khả chịu lực tỉ số hhole/D 0,7 0,8 nên đường biểu diễn khơng thay đổi so với Hình 3(b) Kết Hình 3(c) đơi kích thước lỗ khoét nhỏ chưa tốt so với lỗ khoét kích thước lớn Điều minh chứng có chiều dài lỗ khoét nằm khoảng từ D đến 2D lỗ khoét chiều c) Khả chịu uốn tiết diện Hình Khả chịu uốn tiết diện chữ C25015 có lỗ khoét cao lớn lại có khả chịu uốn cao với chiều cao lỗ khoét dao động từ 0,2D đến 0,7D Nguyên nhân giải thích trường hợp tiết diện xảy ổn định cục vị trí lỗ khoét mà có chiều cao lớn mơ men cục cao trình bày Dựa kết Hình 3(c) cho tiết diện khảo sát cho thấy cần tạo lỗ có diện tích định việc S¬ 45 - 2022 101 KHOA HC & CôNG NGHê ly chiu cao lớn chiều dài nhỏ tốt chiều cao nhỏ chiều dài lỗ khoét lớn Điều giải thích chiều cao lớn chiều dài nhỏ có xu hướng làm tăng mơ men ổn định cục mơ men méo tiết diện, cịn chiều cao nhỏ chiều dài lớn làm cho mô men ổn định cục mô men méo tiết diện có xu hướng giảm xuống - Khi chiều cao lỗ kht tăng lên mơ men ổn định cục tăng lên Mất ổn định cục xảy vị trí lỗ kht chiều cao lỗ khoét nhỏ xảy lỗ khoét chiều cao lỗ khoét tăng Kết luận - Với diện tích lỗ khoét, việc chọn chiều cao lớn chiều dài nhỏ tốt chiều cao nhỏ chiều dài lớn Bài báo tiến hành khảo sát khả chịu uốn tiết diện thép tạo hình nguội C25015 có lỗ khoét với thay đổi chiều cao chiều dài lỗ khoét Khả chịu uốn tiết diện xác định theo quy định tiêu chuẩn thép tạo hình nguội Hoa Kỳ AISI S100-2016 Dựa kết khảo sát, kết luận sau đưa : T¿i lièu tham khÀo R.A Ortiz-Collerg The load carrying capacity of perforated coldformed 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, USA, 2016 American Iron and Steel Institute Development of CUFSM Hole Module and Design Tables for the Cold-formed Steel Crosssections with Typical Web Holes in AISI D100 Research Report RP21-01, 2021 American Iron and Steel Institute Development of CUFSM Hole Module and Design Tables for the Cold-formed Steel Crosssections with Typical Web Holes in AISI D100 Research Report RP21-02, 2021 - Khi chiều dài lỗ kht tăng mơ men ổn định méo tiết diện có xu hướng giảm xuống Các kết luận cung cấp ứng hiểu biết định khả chịu uốn tiết diện chữ C khảo sát, giúp cho người thiết kế có định hướng chọn kích thước lỗ khoét hợp lý nhằm đạt hiệu chịu lực 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 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 P.N Hieu Nghiên cứu ảnh hưởng lỗ khoét đến ổn định tuyến tính cấu kiện thép tạo hình nguội Đại học Kiến trúc Hà Nội, 2021 C.D Moen Direct Strength design for cold-formed steel members with perforations PhD thesis Johns Hopkins University, Baltimore, 2008 Tổng quan tiêu chuẩn đánh giá kết cấu (tiếp theo trang 83) sát vật liệu kết cấu), nên việc xây dựng quy trình đánh giá có tính thực hành cho kỹ sư áp dụng cần thiết Quy trình đánh giá kết cấu hữu xây dựng theo ISO châu Âu [1-2,3-4], ISO Mỹ [1-2, 5-10], ISO Nga [1-2,11], lựa chọn theo ISO châu Âu phù hợp với thực tế xây dựng tiêu chuẩn Bộ Xây dựng Lời cảm ơn: Bài báo hồn thành khn khổ đề tài NCKH cấp Bộ, mã số RD43-21: “Nghiên cứu xây dựng quy trình đánh giá an tồn cơng trình trình khai thác, sử dụng’’./ T¿i lièu tham khÀo ISO 13822:2010 Bases for design of structures - Assessment of existing structures ISO 2394:2015 General principles on reliability for structures BS EN 1998-3:2005 (Eurocode 8) Design of structures for earthquake resistance, Part 3: Assessment and retrofitting of buildings JRC 94918 (EUR 27128 EN), 2015 New European Technical Rules for the Assessment and Retrofitting of Existing Structures ASCE 11-99 Guideline for Structural Condition Assessment of Existing Buildings ASCE_SEI 41-17 Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings ACI 437R-19 Strength Evaluation of Existing Concrete Buildings ACI 364.1R-94 (Reapproved 1999) Guide for Evaluation of Concrete Structures Prior Rehabilitation ACI 562-19 Code Requirements for Assessment, Repair, and Rehabilitation of Existing Concrete Structures 102 T„P CHŠ KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG 10 ACI 318-19 Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary 11 СП 13-102-2003 Правила обследования несущих строительных конcтрукций зданий и сооружний 12 СП РК 1.04-101-2012 Обследование и оценка технического состояния зданий и сооржений 13 ЦНИИПромзданий (2001) Рекомендации по оценке надежности строительных конструкций зданий и сооружений по внешним признакам 14 TCVN 9381:2012 Hướng dẫn đánh giá mức độ nguy hiểm kết cấu nhà 15 NX Chính (2016) Về tiêu chuẩn khảo sát phân loại tình trạng kỹ thuật nhà cơng trình xây dựng Tạp chí KHCN xây dựng, số 1/2016, trang 84-88 16 TCVN 5574:2018 Thiết kế kết cấu bê tông bê tông cốt thép 17 BS EN 1992-1-1:2004 (Eurocode 2) Design of concrete structures, Part 1-1: General rules and rules for buildings ... hành khảo sát khả chịu uốn tiết diện thép tạo hình nguội C25015 có lỗ kht với thay đổi chiều cao chiều dài lỗ khoét Khả chịu uốn tiết diện xác định theo quy định tiêu chuẩn thép tạo hình nguội. .. Kết Hình 3(c) đơi kích thước lỗ kht nhỏ chưa tốt so với lỗ khoét kích thước lớn Điều minh chứng có chiều dài lỗ khoét nằm khoảng từ D đến 2D lỗ khoét chiều c) Khả chịu uốn tiết diện Hình Khả chịu. .. 0, ; Khảo sát ảnh hưởng kích thước lỗ khoét đến khả chịu uốn tiết diện thép chữ C tạo hình nguội Tiết diện dùng khảo sát C25015 với kích thước hình học, bao gồm chiều cao D = 254mm; chiều