TÍNH TOÁN ỨNG SUẤT CHO PHÉP & KHẢ NĂNG CHỊU NÉN CỦA CẤU KIỆN TIẾT DIỆN CHỮ I CÁNH RỖNG THEO CÁC TIÊU CHUẨN AS 1538 AS 4100 (ÚC)

TÍNH TỐN ỨNG SUẤT CHO PHÉP & KHẢ NĂNG CHỊU NÉN CỦA CẤU KIỆN TIẾT DIỆN CHỮ I CÁNH RỖNG THEO CÁC TIÊU CHUẨN AS 1538 AS 4100 (ÚC) THE CALCULATION OF THE ALLOWABLE STRESS AND THE COMPRESSION CAPACITY OF HOLLOW FLANGE BEAM (HFB) SECTION MEMBERS UP TO STANDARD AS1538 AND AS4100 (AUSTRALIA) HUỲNH MINH SƠN Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo trình bày số kết nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn thiết kế AS1538 AS4100 (Úc) để tính toán ứng suất cho phép khả chịu nén cấu kiện tiết diện chữ I cánh rỗng (HFB) Kết ứng dụng thực tế thiết kế kiểm tra bền cho cấu kiện cột chịu nén khung chịu nén, uốn ABSTRACT The arcticle presents some research results about the calculation of the allowable stress and the compression capacity of hollow flange beam (HFB) section members up to standard AS1538 and AS4100 (Australia) The result can be applied effectively in designing and checking colums or compression members and portal frames in our country Đặt vấn đề Tiết diện chữ I, cánh rỗng (HFB) theo cơng nghệ Úc có nhiều ưu việt trọng lượng tính cơng nghệ nên phát huy hiệu cấu kiện chịu uốn dầm thép cánh rỗng sử dụng nhiều nước tiên tiến Vấn đề đặt sử dụng dạng tiết diện cấu kiện chịu nén cột mở rộng áp dụng khung hay không? Tính tốn ứng suất cho phép khả chịu nén số cấu kiện tiết diện HFB định hình rút kết luận bước đầu cho trình nghiên cứu ứng dụng cấu kiện tiết diện HFB vào thực tế Việt Nam Khái quát tiết diện HFB Cấu kiện chịu nén tiết diện HFB có hình dạng ưu việt, vừa mang ưu điểm dạng tiết diện chữ I đối xứng (gồm hai cánh rỗng hình tam giác hàn tồn bụng sườn đơn) mà kết hợp ưu điểm tiết diện kín, hạn chế nhược điểm tiết diện thành mỏng tạo hình nguội Đối với chiều cao tiết diện, yêu cầu công nghệ mà chiều cao toàn tiết diện (D) bề rộng cánh rỗng (B) khơng đổi, có kích thước chiều dày bụng thay đổi Vì vậy, tiết diện xác định đầy đủ thông số: chiều cao tiết diện, bề rộng cánh bề dày thép Ví dụ: Dựa quy định tiêu chuẩn AS1163, có 09 loại tiết diện sau: 5090HFB38; 40090HFB38; 35090HFB38; 30090HFB38; 30090HFB33; 30090HFB28; 25090HFB28; 25090HFB23; 20090HFB23 300 D Chiều cao dầm Bề rộng cánh HBF 38 Chiều dày bụng Ký hiệu tiết diện cánh B-be/2 B D-be/2 90 Hinh Tiết diện HFB cấu kiện chịu nén Sự làm việc cấu kiện chịu nén tiết diện HFB 3.1 Kiểu biến dạng chịu nén trung tâm Khi chịu nén trung tâm, cấu kiện biến dạng theo phương vng góc với trục x trục y mặt phẳng tiết diện Sự phá hoại cấu kiện thành mỏng chịu nén chủ yếu theo trường hợp sau: - Phá hoại bền chảy thớ nén tiết diện - Mất ổn định cột bị uốn dọc - Mất ổn định cột bị xoắn quanh tâm uốn - Mất ổn định uốn xoắn đồng thời - Mất ổn định cục phần tử cánh bụng tiết diện cột Đối với tiết diện HFB tiết diện kín, dạng chữ I, đối xứng trục x-x y-y, kết nghiên cứu cho thấy: biến dạng xoắn xảy ứng suất tới hạn đàn hồi biến dạng xoắn Foz lớn nhiều so với ứng suất tới hạn đàn hồi biến dạng uốn Fox, Foy Do khả xảy phá hoại điều kiện ổn định xoắn uốn xoắn đồng thời khó xảy Điều kiện ổn định cục phần tử cánh bụng khống chế tỷ lệ kích thước phân tố chế tạo Do đó, vấn đề phá hoại bền mà sử dụng phương pháp tính theo ứng suất cho phép theo tiêu chuẩn AS1538 AS4100 có ý nghĩa quan trọng trước tiên 3.2 Xác định chiều dài tính tốn Chiều dài tính tốn cấu kiện chịu nén trung tâm xác định sau: lo = ke.L (1) Trong đó: lo: ke: L: Chiều dài tính tốn cấu kiện chịu nén Hệ số chiều dài tính tốn cấu kiện Chiều dài hình học cấu kiện Mục 4.6.3-AS4100 quy định: hệ số ke phụ thuộc vào liên kết hai đầu cấu kiện chịu nén lấy theo bảng đây: Cấu kiện giằng ngăn cản chuyển vị ngang 0,7 0,85 Kiểu liên kết 1,0 Cấu kiện chuyển vị ngang 1,2 2,2 2,2 Không chuyển vị đứng, ngang Không xoay, tự chuyển vị ngang Không xoay, không chuyển vị đứng, ngang Tự xoay chuyển vị đứng, ngang 3.3 Khả chịu nén trung tâm Mục 3.6.1-AS1538 quy định: ứng suất cho phép lớn cấu kiện chịu nén trung tâm tính theo cơng thức:  F 1  (1   ).( oc )  Q.Fy  Q.Fy  Fa =          Foc  1  (1   ).( Q.F ) y         F   ( oc )  (2)  Q.Fy      Trong đó: Fy: Ứng suất chảy thép vật liệu : Hệ số tải trọng lấy theo mục 3.6.2 - AS1538  =1/0,6 Q: Hệ số hình dạng Q = Aew/A Aew: Diện tích tiết diện hữu hiệu (*) phần bụng phẳng A:Diện tích tiết diện thơ (**) tồn tiết diện : Thơng số khơng hồn hảo: =(1.25-Q).(Q.Fy/Foc) (3) Foc: Ứng suất tới hạn đàn hồi xác định theo mục 3.6.4.1 - AS1538:  E  E Fox= (4) Foy= (5) lox loy ( ) ( ) rx ry lox, loy: Chiều dài tính tốn cấu kiện theo trục x-x trục y-y rx,ry:Bán kính qn tính tiết diện thơ theo trục x-x trục y-y E:Môđun đàn hồi vật liệu thép Suy ra, lực nén trung tâm cho phép cấu kiện chịu nén trung tâm: Pa= Fa.A (6) 3.4 Khả chịu nén, uốn đồng thời Mục 3.7.1-AS1538 quy định: Khi fa  0,15 : Fa f by fa f  bx  1 Fa Fbx Fby (7) Khi fa >0,15: Fa fa  Fa C mx f bx    f a Fbx 1     F      C my f by    f a Fby 1      Foy      (8) Trong đó: fa: Ứng suất dọc trục cấu kiện chịu nén trung tâm fbx, fby: Ứng suất nén lớn cấu kiện theo trục x-x hay y-y Fa: Ứng suất cho phép cấu kiện chịu nén trung tâm (2) Fbx, Fby: Ứng suất cho phép cấu kiện chịu uốn tính theo 3.3.2, 3.3.3AS1538 Cmx, Cmy: Các hệ số mômen xác định theo 3.7.5-AS1538 quy định cụ thể sau: * Đối với khung không bị ngăn cản chuyển vị ngang: Cm = 0,85 * Đối với khung có liên kết ngăn cản chuyển vị ngang không chịu tải trọng ngang gối tựa mặt phẳng uốn: Cm = 0,6-0,4 (M1/M2)  0,4 (9) M1/M2: Tỷ số giá trị mômen hai đầu mang dấu dương cấu kiện chịu mômen uốn đổi dấu mang dấu âm cấu kiện chịu mômen uốn không đổi dấu * Đối với khung bị ngăn cản chuyển vị ngang mặt phẳng tác dụng tải trọng tải trọng gối tựa: Khi hai đầu cấu kiện bị giằng giữ: Cm= 0,85 Khi hai đầu cấu kiện khơng bị giằng giữ: Cm = Khi tính tốn thiết kế cần phân tích làm việc cấu kiện để xác định giá trị Cm Khi thiết kế biểu diễn dạng thay ứng suất nội lực cấu kiện: my P P mx * Khi < 0,15:   1 (10) Pa M x M y Pa * Khi P >0,15: Pa P  Pa C mx m x   P M x 1     0,6 Pox     C my m y   P M y 1      0,6 Poy      (11) Trong đó: P: Lực nén trung tâm cấu kiện Pa: Lực nén cho phép cấu kiện chịu nén trung tâm Pa= Fa.A = 0,6 Fy.A mx, my: Mômen uốn theo trục x, y ngoại lực gây cấu kiện Mx, My: Mômen uốn lớn cho phép theo trục x, y tính toán dựa giá trị ứng suất cho phép cấu kiện chịu uốn Fbx, Fby tính theo 3.3.2, 3.3.3-AS1538 3.5 Chọn tiết diện cấu kiện chịu nén trung tâm chịu nén uốn * Cấu kiện chịu nén trung tâm: Trình tự thực thuật tốn sau: - Xác định lực nén trung tâm cấu kiện (P) - Xác định chiều dài tính tốn cấu kiện theo theo trục x-x trục y-y (lox; loy) - Dựa vào khả chịu nén trung tâm cấu kiện, chọn số hiệu tiết diện cấu kiện HFB có khả chịu nén trung tâm Pa lớn lực nén cột tải trọng gây P * Cấu kiện chịu nén, uốn: Trình tự thực thuật toán sau: - Xác định lực nén trung tâm cột (P) - Xác định mômen uốn theo trục x-x, trục y-y cấu kiện (mx; my) - Xác định chiều dài tính tốn cấu kiện theo trục x-x trục y-y (lox; loy) - Dựa vào khả chịu nén trung tâm cấu kiện, chọn số hiệu tiết diện cấu kiện có khả chịu nén trung tâm Pa lớn lực nén cấu kiện tải trọng gây P - Dựa vào khả chịu mômen uốn tất tiết diện định hình HFB theo cơng nghệ Úc, chọn số hiệu tiết diện cấu kiện HFB ứng với chiều dài tính tốn cột có khả chịu mômen uốn Mx; My lớn mômen uốn lớn tải trọng gây cột mx; my Chọn số hiệu tiết diện cấu kiện HFB số hiệu lớn giá trị vừa xác định - Kiểm tra điều kiện chịu nén uốn đồng thời cấu kiện theo công thức sau: Khi P < 0,15: Pa Khi P P >0,15:  Pa Pa my P mx   1 Pa M x M y C mx m x   P M x 1     0,6 Pox     (12) C my m y   P M y 1     0,6 Poy     1 (13) Kết nghiên cứu Áp dụng thuật tốn trên, lập chương trình tính tốn tải trọng cho phép; chọn kiểm tra tiết diện HFB cho cấu kiện chịu nén ta kết giá trị nội lực lớn cho phép theo giá trị chiều dài tính tốn cấu kiện Bảng Kết luận Qua nghiên cứu cho thấy bước đầu rút số kết luận sau: - Tiết diện HFB có nhiều ưu điểm cấu tạo mặt cắt hạn chế biến dạng xoắn chịu nén trung tâm, kết hợp ưu điểm tiết diện rỗng (nhẹ) tiết diện chữ I (cánh rộng, đối xứng chịu nén tốt) Do khơng ứng dụng tốt cấu kiện chịu uốn (dầm) mà ứng dụng cấu kiện chịu nén (cột); chịu nén - uốn (khung) - Khả chịu lực tiết diện theo phương mặt phẳng khung x-x lớn nhiều theo phương làm việc mặt phẳng khung y-y cần ý kiểm tra làm việc tải trọng cho phép cấu kiện theo phương mặt phẳng - Ảnh hưởng chiều dài tính tốn cấu kiện khả chịu lực tiết diện đáng kể, song với giá trị chiều dài cột khung thông dụng theo điều kiện thực tế cơng trình dân dụng Việt Nam (