TÍNH TOÁN CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CHO CẤU KIỆN HỆ SƯỜN TƯỜNG NHÀ CÔNG NGHIỆP DÙNG THÉP THÀNH MỎNG, TẠO HÌNH NGUỘI THEO TIÊU CHUẨN AS/NZS 4600:2005

ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90) 2015 73 TÍNH TOÁN CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CHO CẤU KIỆN HỆ SƯỜN TƯỜNG NHÀ CÔNG NGHIỆP DÙNG THÉP THÀNH MỎNG, TẠO HÌNH NGUỘI THEO TIÊU[.] TÍNH TOÁN CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CHO CẤU KIỆN HỆ SƯỜN TƯỜNG NHÀ CÔNG NGHIỆP DÙNG THÉP THÀNH MỎNG, TẠO HÌNH NGUỘI THEO TIÊU CHUẨN AS/NZS 4600:2005

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 73 TÍNH TỐN CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CHO CẤU KIỆN HỆ SƯỜN TƯỜNG NHÀ CƠNG NGHIỆP DÙNG THÉP THÀNH MỎNG, TẠO HÌNH NGUỘI THEO TIÊU CHUẨN AS/NZS 4600:2005 CALCULATING TO CHOOSE REASONABLE CROSS-SECTIONS OF MEMBERS OF POST FRAME SYSTEM IN INDUSTRIAL BUILDING USING COLD-FORMED THIN-WALLED STEEL ACCORDING TO AS/NZS 4600:2005 Huỳnh Minh Sơn Đại học Đà Nẵng; sonhmdhdn@gmail.com Tóm tắt - Kết cấu thép nhẹ, thành mỏng, tạo hình nguội với ưu điểm có tiết diện mảnh, trọng lượng nhẹ, cường độ cao, công nghệ sản xuất tiên tiến với suất cao, thi công nhanh hiệu nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi công trình xây dựng Tuy nhiên, làm việc tính tốn thiết kế phức tạp địi hỏi phải đảm bảo điều kiện cường độ, ổn định biến dạng, đặc biệt điều kiện Việt Nam chưa ban hành tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép thành mỏng; ngồi số tài liệu nước ngồi catalogue sản phẩm của nhà sản xuất chưa có nhiều nghiên cứu, tài liệu hướng dẫn tính tốn Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu phân tích làm việc, phương pháp tính tốn, khảo sát lựa chọn tiết diện hợp lý cho phần tử (cánh, bụng sườn biên) để ứng dụng hiệu cấu kiện (dầm, cột) hệ sườn tường nhà công nghiệp theo tiêu chuẩn AS/NZS 4600:2005 (Australian-Newzealand) Abstract - Cold-formed, thin-walled lightweight steel structure with the advantages of slender cross-section, light weight, high strength, advanced production technology, high productivity and fast, efficient construction has been studied and widely used in construction However, the working and calculations of thin-walled steel structure are quite complicated requiring conditions in term of intensity, stability and deformation, especially in the conditions of Vietnam has not yet issued codes for designing thin-walled steel structure, apart from a few foreign documents and catalogs of manufacturers having not much research as well as design guides This paper presents results of study in analyzing the working, calculation methodology and surveying to choose reasonable cross-sections for elements (flanges, webs, stiffeners) to effectively apply into members of post frame system (girts, columns) in industrial buildings according to AS/NZS 4600:2005 (Australian-NewZealand) Từ khóa - kết cấu thép thành mỏng, tạo hình nguội; oằn uốn xoắn; oằn vặn bên; dầm sườn tường; cột sườn tường; sườn biên; tiết diện hữu hiệu; AS/NZS 4600:2005 Key words - Thin-walled steel structure; cold-formed; torsional buckling; sideway buckling; girt; column; stiffener; effective section; AS/NZS 4600:2005 Đặt vấn đề Khái niệm thuật ngữ “kết cấu thép thành mỏng, tạo hình nguội” để kết cấu thép có trọng lượng nhẹ, tiết diện mỏng, độ mảnh lớn (thin-wall), chế tạo từ băng (tấm) thép cán nóng, cường độ cao phương pháp gia công nguội (cold-formed), liên kết phương pháp hồn tồn khác với liên kết kết cấu thép thơng thường Các thuật ngữ dùng để loại kết cấu như: Thin-wall/Cold-Formed Steel Structure, từ viết tắt CFS Vấn đề đặt là: Sử dụng tiết diện hở hay tiết diện kín với diện tích bề dày tiết diện, khác chiều cao loại hiệu hơn? Với tiết diện (chữ C) cấu kiện hệ sườn tường, nên chọn hình dạng (đối xứng, khơng đối xứng) phân bố kích thước cho phần tử (cánh, bụng sườn biên) để khả chịu lực tiết diện lớn nhất? Kết tính tốn khảo sát sở lựa chọn phương án hệ sườn tường hợp lý với kết cấu thép thường (25%-50%) [5] nên giảm đáng kể tải trọng thân, thuận tiện vận chuyển, lưu kho, lắp dựng…; Giải vấn đề 2.1 Các đặc trưng kết cấu thép thành mỏng Kết cấu CFS có đặc trưng khác kết cấu thép thường thông dụng sau: - Tiết diện mỏng, hữu hiệu: CFS có tiết diện mỏng (t=0,3-4mm) gia công nguội (cán nguội) từ băng thép mỏng (phơi cán nóng) Khi làm việc, phần tiết diện có nguy ổn định cục tính tốn phải loại bỏ, sử dụng phần lại gọi tiết diện hữu hiệu [4]; - Trọng lượng nhẹ: CFS có trọng lượng nhẹ nhiều so Hình Các hình thức tiết diện cấu kiện CFS dạng - Hình thức tiết diện đặc biệt: Nhờ kỹ thuật gia công nguội tiên tiến cho phép tạo dạng tiết diện có hình thức đặc biệt, đa dạng, đáp ứng nhu cầu kiến trúc, kết cấu như: Tiết diện kín (chữ nhật, vng, trịn, ơvan…); tiết diện hở (chữ C, Z, U, T, chữ môn…) Do yêu cầu chịu lực, tiết Huỳnh Minh Sơn 74 diện CFS cần có phần cong phần tử mép biên có tác dụng tăng cường khả chịu tải gọi sườn (stiffener) [1]; - Vật liệu thép cường độ cao: CFS thường sử dụng vật liệu cường độ cao (C250/G250 đến C450/550 theo AS/NZS 4600:2005 [3], giới hạn chảy fy= (250-550MPa) cao nhiều so với kết cấu thép thường Mặt khác, q trình gia cơng làm tăng cường độ thép tượng “uốn nguội” [5] Tuy nhiên việc sử dụng vật liệu cường độ thường bị giới hạn điều kiện ổn định cục bộ, nên thường không tận dụng hết cường độ vật liệu; - Vật liệu có độ giãn dài lớn: CFS cần sử dụng vật liệu thép có độ giãn dài lớn (  =22-26%) [4] để gia cơng nguội nhiều lần tạo nên tiết diện cần thiết; - Công nghệ sản xuất thi công đại: CFS sản xuất thi công dây chuyền công nghệ đại, tự động hóa, tiêu chuẩn hóa định hình hóa đạt suất cao, thi cơng nhanh, thuận tiện cho vận chuyển, lưu kho lắp dựng…Tuy nhiên, CFS gặp phải vấn đề đòi hỏi yêu cầu phòng gỉ chống ăn mịn cao, chi phí vật liệu cao thép cán nóng phải qua hai lần gia cơng (cán nóng cán nguội) [1] Sự làm việc, liên kết tính tốn phức tạp kết cấu thép thông dụng Mặt khác, liên kết dầm cột sườn tường với panen tường không sử dụng liên kết hàn thông thường mà thường sử dụng liên kết vít tự khoan [1], cho phép tự động hóa việc thi cơng nhanh thuận tiện Loại liên kết cịn có tác dụng làm tăng độ cứng cho toàn hệ thống panen tường hệ sườn tườn phần tạo kiềm chế xoắn cho hệ thống dầm sườn tường [3] Hình Hệ sườn tường cấu kiện CFS Hình Phơi thép cán nóng dạng cuộn nhập ngoại 2.2 Sự làm việc hệ sườn tường cấu kiện CFS Khác với hệ sườn tường nhà cơng nghiệp trùn thống (cấu kiện thép hình, cán nóng, liên kết hàn, nên hình thức nặng nề, trọng lượng lớn lãng phí chi phí vật liệu thi cơng so với u cầu chịu lực, khó điển hình hóa cấu kiện), hệ sườn tường nhà cơng nghiệp tiền chế tiêu chuẩn hóa định hình hóa cao với cấu kiện CFS dùng vật liệu thép cường độ cao (G450, G550 hoặc G650) [5], chế tạo theo công nghệ nhà máy Các cấu kiện CFS dùng hệ sườn tường nhà công nghiệp bao gồm: Dầm sườn tường cột sườn tường 2.2.1 Dầm sườn tường Là cấu kiện CFS (tiết diện chữ C, Z hoặc hình hộp vng, chữ nhật có tác dụng đỡ panen tường chịu uốn xiên tải trọng thẳng đứng hệ panen tường tải trọng gió tác dụng theo phương ngang, vng góc với mặt phẳng tường Vì vậy, phương làm việc dầm sườn tường (dạng chữ C, Z hay hình hộp) thường có trục (y-y) vng góc với mặt phẳng tường 2.2.2 Cột sườn tường Hệ sườn tường thường bố trí thêm cột sườn tường trung gian có tác dụng chia nhỏ nhịp bước cột khung, nhờ giảm nhịp tính toán, giảm độ võng tăng ổn định cho dầm sườn tường Cột sườn tường có tác dụng đỡ dầm sườn tường, tiếp nhận tải trọng từ dầm sườn tường truyền xuống móng sườn tường độc lập, sơ đồ tính quan niệm cột hai đầu liên kết khớp chịu nén-uốn (chịu nén tải trọng thẳng đứng từ dầm sườn tường chịu uốn tải trọng ngang gió) 2.2.3 Ngun tắc trình tự tính tốn dầm sườn tường - Xác định tiết diện hữu hiệu: be = b (1) Trong đó: b bề rộng phẳng,  hệ số bề rộng hữu hiệu (  ≤1) tùy thuộc loại phần tử như: Phần tử chịu ứng suất nén phân bố đều (cánh nén không tăng cứng hoặc tăng cứng nhờ sườn biên); phần tử chịu ứng suất phân bố tuyến tính (phần tử bụng) [5]; - Tính tốn đặc trưng hình học: Đặc trưng hình học tiết diện hữu hiệu tính phương pháp “đường trung bình” [2] Khi bề dày (t) khơng đổi, tính gần thay tiết diện đường qua trục phần tử (thẳng hoặc cong) Bề dày t nhỏ coi đơn vị nên khơng cần có mặt công thức Kết ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 nhân với t Bỏ qua đại lượng bậc cao (t , t ); - Kiểm tra bền: M *  b M s (2) 75 Cm = 0,85 lấy theo AS/NZS 4600:2005 [3] 2.3 Khảo sát chọn tiết diện hợp lý hệ sườn tường Khảo sát tính tốn chọn tiết diện hợp lý cho cấu kiện dầm cột sườn tường [6] Hình M*: Mơmen uốn tính tốn tải trọng; Ms: Khả chịu mômen danh nghĩa về bền; b: Hệ số độ chịu lực uốn; - Kiểm tra ổn định: M *  b M b (3) b = 0,90 tính tốn kiểm tra ổn định; Mb: Khả chịu mơmen danh nghĩa tính theo oằn uốn-xoắn (Mbo) oằn vặn bên (Mbod) Mb= Min (Mbo; Mbod) (4) - Kiểm tra độ võng: ∆/L≤ [∆/L] (5) Để tính độ võng (∆), cần tính tốn mơmen qn tính tiết diện hữu hiệu (Ie) ứng với ứng suất làm việc (f*) Giá trị Ie thay đổi dọc theo chiều dài dầm coi gần khơng đổi Bề rộng hữu hiệu phần tử tính tốn với ứng suất f*=f*d (f*d ứng suất thiết kế phần tử xét, tính theo tiết diện hữu hiệu ứng với tải trọng tính tốn) Thuật tốn tính lặp ∆ [1] sau: Bước 1: Giả thiết ứng suất thiết kế f*d=(0,5-0,66)fy tùy mơmen tính độ võng; Bước 2: Tính đặc trưng mơmen kháng uốn tiết diện hữu hiệu (Ze) theo giá trị f*d; Bước 3: Tính lại ứng suất f = M/Ze, gần trùng với ứng suất giả thiết f*d dừng tính lấy giá trị Ie tính theo Ze (đã tính Bước 2) để tính độ võng theo Bước Nếu cịn chênh lệch đáng kể dùng giá trị f*d=f để tính lặp lại (Bước 3) đến kết hội tụ; Bước 5: Tính độ võng (∆) theo mơmen qn tính tiết diện hữu hiệu (Ie) 2.2.4 Ngun tắc, trình tự tính tốn cột sườn tường - Tính bề rộng hữu hiệu, đặc trưng hình học tiết diện hữu hiệu: Tương tự dầm sườn tường Phần tử cánh tính theo phần tử khơng tăng cứng chịu nén đều; phần tử bụng tính theo phần tử tăng cứng chịu nén đều [2] M* N* - Kiểm tra bền: +  1,0  c N s b M b (6) N*: Lực nén tính toán tiết diện cột; Ns: Khả chịu nén danh nghĩa về bền; Hình Sơ đồ tính tốn khảo sát hệ sườn tường 2.3.1 Khảo sát chọn hình thức tiết diện dầm, sườn tường Phương án 1: Dùng tiết diện C200x70x20x2; Phương án 2: Dùng tiết diện hộp 95x2mm Nhịp L(m) Tải trọng cho phép (kN/m) Thay đổi nhịp tính tốn L=(1-3)m kết đồ thị Hình cho thấy: Trong phạm vi khảo sát, tiết diện C hở có khả chịu tải lớn tiết diện hộp kín chiều cao tiết diện (h) C lớn tiết diện hộp, nên bị chi phối điều kiện độ võng nhiều điều kiện bền ổn định Bảng Khả chịu tải dầm tiết diện C hộp Nhịp Tải trọng cho phép (kN/m) L(m) C200x70x20x2 Hộp 95x2 1,0 86,16 80,00 1,5 34,74 23,64 2,0 19,78 9,97 2,5 11,71 5,11 3,0 7,48 2,95 c: Hệ số độ chịu lực nén; - Kiểm tra ổn định: Cm M * N* +  1,0 c N c b M b n (7) Nc: Khả chịu nén danh nghĩa ổn định N c = A ef n Với Ae: Diện tích tiết diện thực fn: Ứng suất tới hạn phụ thuộc  C =  n : Hệ số tăng mômen:  n (8) fy (9) f OC = – (N*/Ne) (10) Hình Khả chịu tải tiết diện C hộp Huỳnh Minh Sơn 76 Kết Hình cho thấy: Chọn tiết diện dầm chữ C 2.3.2 Khảo sát ảnh hưởng bề rộng cánh sườn biên Với diện tích thép thành mỏng, thay đổi tỷ lệ (h/b) tiết diện theo 04 phương án [6] hình 6: Phương án 1: Dùng tiết diện C đối xứng, khơng có sườn biên (C160x80x2,5) (a); Phương án 2: Dùng tiết diện C đối xứng, có sườn biên (C160x60x20x2,5) (b); Phương án 3: Dùng tiết diện C đối xứng, có sườn biên tăng thêm chiều dài sườn (C160x50x30x2,5) (c); Phương án 4: Dùng tiết diện C không đối xứng, cánh lớn cánh trên, có sườn biên (C160x70x50x20x2,5) (d) phương án tính toán thiết kế hệ sườn tường với tiết diện dầm cột sường tường có t=2,5mm Phương án 1: Dầm chữ C (đối xứng, có sườn biên); cột chữ C (đối xứng không sườn biên); Phương án 2: Dầm tiết diện hở, chữ C (đối xứng, có sườn biên); cột tiết diện kín hình hộp; Phương án 3: Dầm, cột dùng tiết diện kín hình hộp; Phương án 4: Dầm dùng tiết diện kín hình hộp; cột tiết diện hở C (đối xứng không sườn biên) Với khả chịu lực vừa đủ, giữ nguyên nhịp dầm L=2m bề dày t=2,5mm, khảo sát tính tốn chọn phương án hệ sườn tường có trọng lượng thép nhỏ Bảng Khảo sát hệ sườn tường theo trọng lượng Phương án PA1 PA2 PA3 PA4 Dầm Cột Tiết diện C (100x50x15x2,5) Tiết diện C (100x50x15x2,5) Tiết diện hộp (60x2,5) Tiết diện hộp (60x2,5) Tiết diện C C160x60x3,5 Tiết diện hộp (140x3) Tiết diện hộp (140x3) Tiết diện C (160x60x3,5) ∑m(kg) 877,56 1227,48 1246,48 896,56 Hình Các phương án khảo sát tiết diện dầm CFS Thay đổi t=2; 2,5; 3mm Dựa vào khả chịu mômen danh nghĩa (M*) để chọn phương án tiết diện hợp lý cho dầm sườn tường Bảng Khả chịu tải 04 phương án Hình thức tiết diện Phương án Khả chịu mômen danh nghĩa Mb (kN.cm) Số hiệu tiết diện t=2mm PA1(a) C160x80x2,5 PA2(b) t=2,5mm t=3mm 646,70 863,59 1095,46 C160x60x20x2,5 816,44 989,11 1177,03 PA3(c) C160x50x30x2,5 736,87 919,59 1095,93 PA4(d) C160x70x50x20 x2,5 698,15 879,48 1054,95 Hình Khả chịu tải 04 phương án Kết Hình cho thấy: Trong phạm vi khảo sát, t=2mm; 2,5mm 3mm, khả chịu lực tiết diện theo phương án (c) đều lớn Do đó, chọn tiết diện C, đối xứng, có sườn biên cho dầm sườn tường Khảo sát Hình Khảo sát hệ sườn tường theo trọng lượng Kết Hình cho thấy: Phương án có trọng lượng thép nhỏ nhất, chênh lệch so với phương án không lớn, nên chưa đủ sở chọn phương án 2.3.3 Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ (h/b) tiết diện dầm Thay đổi (h/b)=(1,0÷1,6): giảm chiều cao bụng h, tăng bề rộng cánh b (h/b)= (2,4÷3,7): tăng chiều cao bụng h, giảm bề rộng cánh b Kết Hình cho thấy: Khi t = 2mm, M* lớn (h/b) = 2; Khi t = 2,5mm, M* lớn (h/b) =2,4; Khi t = 3mm, M* lớn (h/b) = Vì đường cong khơng dốc mà thoải theo trục hoành (h/b), nên thiết kế tiết diện sai lệch tỷ lệ (h/b)=(5-10)% đạt hiệu yêu cầu Chọn phương án 1* dùng tiết diện C110x45x15x2,5 có tỷ lệ (h/b)=2,4 thay cho phương án dùng tiết diện định hình (C100x50x15x2,5) có tỷ lệ (h/b)=2 Tính tốn lại trọng lượng thép phương án 1* so với phương án 1, ta được: Trọng lượng thép phương án 1* có trọng lượng 831,56 kg, giảm 5,24% so với phương án có trọng lượng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 877,56 kg Bảng Khảo sát chọn tỷ lệ (h/b) theo bề dày (t) Số hiệu Khả chịu mômen danh nghĩa h/b tiết diện C70x65x15 C80x60x15 C90x55x15 C100x50x15 C110x45x15 C120x40x15 C130x35x14 1,1 1,3 1,6 2,0 2,4 3,0 3,7 (t=2mm) 269,17 312,38 350,79 374,16 362,68 357,15 340,24 M (kN.cm) (t=2,5mm) 336,56 417,42 436,31 446,55 455,15 453,58 440,04 (t=3mm) 444,92 455,45 503,54 526,93 540,4 542,84 532,58 77 diện hệ sườn tường hợp lý dựa tiêu chí cấu kiện phải vừa đủ chịu lực, tiết diện có hình dạng, kích thước phần tử sườn biên hợp lý để hệ sườn tường có trọng lượng thép nhỏ nhất, phạm vi khảo sát nhận được: Dầm cột sườn tường sử dụng tiết diện chữ C, đối xứng, có sườn biên Phân bổ kích thước cho bề rộng cho cánh bụng theo tỷ lệ (h/b) dầm tương ứng với bề dày (t) sau: h/b=2 (t=2mm); h/b=2,4 (t=2,5mm) h/b=3 (t=3mm) Bố trí sườn biên tăng cứng cho tiết diện dầm có tác dụng làm tăng đáng kể khả chịu lực (trong phạm vi khảo sát tính bề rộng sườn biên hợp lý 15mm) Hệ sườn tường CFS dùng tiết diện chữ C đề xuất hiệu chỉnh phương án 1* cho kết tốt so với phương án (phương án tốt nhất, hợp lý tiết diện định hình) Hệ sườn tường sử dụng tiết diện thép thành mỏng, tạo hình nguội (CFS) giải pháp cần xem xét ứng dụng xây dựng cơng trình nhà cơng nghiệp Kết nghiên cứu sở để tiếp tục phát triển tối ưu hóa tiết diện thép thành mỏng, tạo hình nguội TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Khảo sát chọn tỷ lệ (h/b) theo bề dày (t) Kết cuối cùng: Chọn tiết diện dầm, sườn tường C100x40x15x2,5 có tỷ lệ (h/b)=2,4 Kết luận Kết tính tốn khảo sát phương án thiết kế tiết [1] Huỳnh Minh Sơn, Ổn định kết cấu thép kết cấu thép nhẹ, giảng sau đại học ĐHĐN-2012 [2] Huỳnh Minh Sơn, "Nghiên cứu ứng dụng cấu kiện thép chữ I, cánh rỗng tạo hình nguội HFB vào thực tế xây dựng Việt Nam", Luận án tiến sỹ kỹ thuật, ĐHXD - 2010 [3] Australian/NewZealand Standard (2005), Cold-formed Steel Structures, AS/NZS 4600: 2005 [4] Handcook,GJ and Papangelis, JP, Thin wall user’s manual, Central for Advanced Struct Engrd, University of Sydney, Sydney, Australia – 2010 [5] Đoàn Định Kiến, Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội, NXB Xây dựng - 2009 [6] Đinh Bá Đạt, “Nghiên cứu làm việc tính tốn hiệu ứng dụng tiết diện thép thành mỏng, tạo hình nguội cấu kiện hệ sườn tường nhà công nghiệp", Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, ĐHĐN2014 (BBT nhận bài: 10/05/2015, phản biện xong: 19/05/2015) ... [5], chế tạo theo công nghệ nhà máy Các cấu kiện CFS dùng hệ sườn tường nhà công nghiệp bao gồm: Dầm sườn tường cột sườn tường 2.2.1 Dầm sườn tường Là cấu kiện CFS (tiết diện chữ C, Z hoặc hình. .. = 0,85 lấy theo AS/NZS 4600:2005 [3] 2.3 Khảo sát chọn tiết diện hợp lý hệ sườn tường Khảo sát tính tốn chọn tiết diện hợp lý cho cấu kiện dầm cột sườn tường [6] Hình M*: Mơmen uốn tính tốn tải... kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội, NXB Xây dựng - 2009 [6] Đinh Bá Đạt, “Nghiên cứu làm việc tính tốn hiệu ứng dụng tiết diện thép thành mỏng, tạo hình nguội cấu kiện hệ sườn tường nhà công