Chuyên san Kỹ thuật Công trình đặc biệt Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật Số 195 (12 2018) Học viện KTQS 55 ẢNH HƯỞNG CỦA SAI SỐ LẮP DỰNG ĐẾN NỘI LỰC VÀ CHUYỂN VỊ CỦA KẾT CẤU KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆ[.]
Chun san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS ẢNH HƯỞNG CỦA SAI SỐ LẮP DỰNG ĐẾN NỘI LỰC VÀ CHUYỂN VỊ CỦA KẾT CẤU KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP Trần Nhất Dũng*, Nguyễn Văn Hiếu Học viện KTQS Tóm tắt Bài báo nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng sai số lắp dựng phận kết cấu nhà thép tiền chế dạng khung Zamil Sử dụng phần mềm Vn3DNC tác giả lập trình theo phương pháp lý thuyết phần tử hữu hạn, mức độ ảnh hưởng đến nội lực chuyển vị kết cấu khung thép nhà cơng nghiệp xác định định tính định lượng, làm sở đưa khuyến nghị cho thiết kế kết cấu tương tự Từ khóa: Nội lực; chuyển vị; sai số lắp dựng; kết cấu khung thép; nhà công nghiệp Đặt vấn đề 1.1 Khung thép Zamil thiết kế kết cấu nhà cơng nghiệp Nhà thép dạng khung Zamil hay cịn gọi khung thép tiền chế sử dụng phổ biến giới Việt Nam Nhờ ưu điểm vượt nhịp lớn, thi cơng nhanh, tháo lắp di dời, giá thành hợp lý kết cấu ưa chuộng cơng trình dân dụng công nghiệp; nhà xưởng, nhà thi đấu thể thao Đặc điểm khung Zamil cấu kiện khung (kèo, cột) chế thức sẵn nhà xưởng, sau vận chuyển lắp dựng công trường Các khung thép tiền chế thường thiết kế tương tự (để dễ lắp dựng), chúng độc lập nhau, hoàn tồn tính tốn theo mơ hình khung phẳng Móng cho khung nhà cơng nghiệp thường thiết kế dạng móng đơn móng băng giao Khi chế tạo móng, bu lơng móng chơn sẵn bê tơng có phần chờ nhơ lên để sau liên kết với chân cột thép Hình Lắp đặt kèo vào đỉnh cột * Emai: trannhatdung01@gmail.com https://doi.org/10.56651/lqdtu.jst.v1.n01.392.sce 55 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University Trình tự lắp dựng kết cấu khung Zamil lắp cột trước, kiểm tra chỉnh cột, sau lắp đến đoạn kèo Các đoạn kèo khơng q dài lắp dựng trước mặt đất, sau cẩu tồn lên cao liên kết với đỉnh cột bu lông Sau lắp đặt khung đầu tiên, người ta phải sử dụng dây cáp neo giữ cho khung, trình chờ lắp khung khác Khi có 02 khung trở lên số xà gồ, giằng lắp để tạo hệ khung cứng theo phương ngang 1.2 Sai số lắp dựng khung thép Zamil Việc lắp dựng thường không tránh khỏi sai số định, nhỏ vài mm lớn đến hàng chục mm Khi đó, người ta thường phải sử dụng kích néo (gia tải) để nắn cấu kiện vị trí Việc làm phép, khiến cho kết cấu bị rơi vào trạng thái ứng suất trước Các ứng suất trước phương với ứng suất tải trọng sử dụng gây gây bất lợi, chí khiến cho kết cấu bị phá hủy ngoại tải chưa đến giới hạn thiết kế Sai số lắp đặt trường nguy khó kiểm sốt, dạng sai số ln tồn có trị số tương đối lớn so với sai số chế tạo nhà xưởng Các sai số nguyên nhân quan trọng làm giảm chất lượng tuổi thọ cơng trình Một số nguyên nhân dẫn đến dạng sai số là: - Sai số phần thi cơng móng để lại: Đây dạng sai số phổ biến nhất, cơng trình có Do đặc điểm công tác thi công BTCT, nên thi công móng cấy ghép bu lơng móng, q trình đầm nén bê tơng bu lơng bị xơ lệch, bị nghiêng; cao trình mặt móng, phần ren bu lơng móng khác lệch từ vài đến vài chục mm Đây sai số ảnh hưởng lớn đến nội lực chuyển vị kết cấu cột kèo thép - Sai số vận chuyển cấu kiện đến cơng trình: Q trình vận chuyển ln khiến cho cấu kiện bị biến dạng, cong vênh Sau nghiệm thu trường, thông thường đơn vị thi công có q trình hiệu chỉnh chỗ trước cho lắp dựng Tuy nhiên, điều kiện công trường thường không tốt nhà xưởng, nên trình phát hiệu chỉnh sai số đạt nhà xưởng - Sai số trình lắp dựng cân chỉnh: Sau lắp dựng sơ nhà thầu thường tiến hành cân chỉnh cao độ, tầm hướng cho khung, cấu kiện sau xiết chặt bu lông đến mô men lực thiết kế Tuy nhiên, tất cấu kiện dựng lên, việc chỉnh ln gặp khó khăn thường phải chấp nhận sai số phần tất yếu kết cấu khung thép tiền chế 1.3 Các ảnh hưởng sai số lắp dựng Vấn đề lớn, đáng ngại hệ sai số chế tạo lắp dựng gây cơng trình xây dựng nói chung khung thép Zamil nói riêng Các ảnh 56 Chun san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS hưởng tùy mức độ có trị số khác nhau, chí trở thành ngun nhân gây sụp đổ cơng trình Các ảnh hưởng đến nội lực chuyển vị kết cấu kể là: - Trường hợp cột bị hụt (ngắn so với yêu cầu): Trường hợp tùy mức độ, độ hụt lên đến vài cm, chí phải chế tạo lại cột Tuy nhiên, công trường, đa số nhà thầu chọn giải pháp “ép kèo xuống” cách dùng kích, dây néo để hạ thấp cao độ điểm nối kèo lúc nối bu lông Cách làm này, sai lệch nhỏ khơng đáng ngại, sai lệch đủ lớn khiến cho kèo (và cột) bị rơi vào trạng thái ứng suất trước không mong muốn - Trường hợp cột bị đội (dài so với yêu cầu): Tương tự trường hợp cột bị hụt, nhà thầu chọn giải pháp “đẩy kèo lên”, để hạ nối kèo với cột - Trường hợp lỗ nối bu lông mã không đồng tâm: Đây trường hợp điển hình thường gặp Khi mã nối có lỗ chờ để nối bu lông qua, bị lệch (khoảng vài mm) Cơng nhân lắp dựng thường sử dụng kích, xà beng để đưa bu lông qua lỗ lệch Cách làm khiến cho nội lực cấu kiện cột, kèo xuất thành phần lực ngang (nằm mặt phẳng khung) Điều bất lợi, kết cấu khung Zamil thiết kế làm việc theo mơ hình phẳng Tuy khung có khả chịu lực ngang, yếu nhiều so với mặt phẳng khung Nghiên cứu ảnh hưởng sai số lắp đặt tới nội lực chuyển vị kết cấu khung thép nhà công nghiệp 2.1 Mô hình hóa sai số lắp đặt phần mềm Vn3DNC Thực chất sai số lắp dựng chuyển dịch trước nút liên kết, xem dạng tải trọng (tải trọng nút) Trị số hướng tải trọng xác định thông qua hai tham số độ cứng nút trị số chuyển dịch trước Theo lý thuyết phần tử hữu hạn (PTHH), độ cứng nút xác định thơng qua việc “đóng góp” độ cứng phần tử có kết nối tới nút Sau tính ma trận độ cứng tổng thể, trình tự thực việc tính tốn tải trọng quy nút toán chuyển dịch trước sau: - Khai báo tên nút, hướng chuyển dịch trước, trị số chuyển dịch trước; - Tính tốn ma trận độ cứng phần tử xây dựng ma trận độ cứng tổng thể [K] cho toàn hệ kết cấu; - Thiết lập xác định vectơ tải trọng nút {Qm} (hệ tọa độ tổng quát); a) Xác định trị số độ cứng bậc tự tương ứng với nút có chuyển dịch cưỡng từ ma trận độ cứng tổng thể [K]; 57 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University b) Tính trị số tải trọng nút tương đương chuyển dịch i, theo cơng thức: Pi = Ki i đó: Pi - tải trọng nút tương đương; Ki - độ cứng bậc tự tương ứng với chuyển dịch trước; i - trị số chuyển dịch trước nút Gán trị số Pi vào vectơ tải trọng nút {Qm} Sau chuyển đổi ảnh hưởng chuyển dịch trước, thành tải trọng quy nút Việc giải toán kết cấu thực bình thường tốn khác 2.2 Trình tự giải tốn Trình tự giải tốn khung thép có chuyển dịch trước, thực sau: - Khai báo phần tử khung phần tử (phẳng không gian); - Khai báo nhóm tải trọng (tĩnh tải, hoạt tải ), trị số thành phần cho nhóm tải trọng; - Tính tốn trị số tải trọng tương đương chuyển dịch trước sau gán trị số vào nhóm tĩnh tải (là nhóm tải trọng có mặt trường hợp tổ hợp); - Tính tốn nội lực, chuyển vị ứng suất cho phần tử, nút; - Kiểm tra bền, ổn định cho kết cấu theo tiêu chuẩn, quy phạm hành; - Tính tốn bố trí liên kết (hàn, bu lông, đinh tán ) cấu kiện; - Đánh giá tổng thể điều chỉnh thiết kế (nếu cần) 2.3 Phần mềm chuyên dụng Vn3DNC Bài báo sử dụng phần mềm chuyên dụng tác giả tự thiết kế lập trình mang tên Vn3DNC để nghiên cứu, thử nghiệm số Đây phần mềm dạng thương phẩm, có giao diện đồ họa, có hàm công cụ tiện dụng, mạnh mẽ đa dạng (Hình 2) Hình Màn hình giao diện Vn3DNC 58 Chun san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS Vn3DNC chương trình tính kết cấu khơng gian dạng tổng qt, chương trình cho phép khai báo làm việc với dạng phần tử thanh, phần tử vỏ, phần tử khối; tính giải tốn chịu tác dụng tải trọng tĩnh động Vn3DNC tính kết cấu khung thép, khung bê tông cốt thép BTCT, bể chứa có sườn tăng cường, kết cấu tấm, vỏ khối; kết cấu khung nhà cao tầng kết hợp tường, sàn chịu lực Vn3DNC viết ngơn ngữ C++, sở thuật tốn lý thuyết PTHH Chương trình có giao diện tiếng Việt với hệ thống Menu + Toolbar tiện sử dụng, có khả phát sinh số liệu nhanh, xác, có phần thể đồ họa phong phú, sinh động, dễ dàng chỉnh sửa in ấn Thử nghiệm số với tốn khung thép Zamil 3.1 Mơ tả cơng trình thử nghiệm Cơng trình thử nghiệm số cơng trình thực, nhà xưởng A1 thuộc nhà máy Quốc phòng Z, chuyên sản xuất vật liệu ngụy trang Địa điểm xây dựng cơng trình quận Long Biên - TP Hà Nội Phần khung chịu lực nhà xưởng làm thép tổ hợp, dạng khung Zamil Mái nhà xưởng lợp tôn dày 0,45, với độ dốc thoát nước 15% Mặt đứng khung K1 mơ tả hình RF1A 1800 i = 15 % i = 15 % RF1A C1 C1 Tuêng g¹ch 6000 RF2A RF2A Tuêng g¹ch 24000 Hình Mặt đứng khung K1 Khung thép K1 tính tốn theo sơ đồ khung phẳng, chân cột có liên kết với móng BTCT theo sơ đồ khớp Các tải trọng tác động lên kết cấu khung gồm có: tĩnh tải, hoạt tải, gió trái, gió phải, tải trọng khai báo theo nhóm để sau tổ hợp tải trọng tổ hợp nội lực theo quy định TCVN 2737-1995: Nhóm 0: Tĩnh tải: gồm trọng lượng thân kết cấu + tơn, xà gồ; Nhóm 1: Hoạt tải sửa chữa: tính tốn với trị số tải tiêu chuẩn 30 kG/m2 ; 59 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University Nhóm 2: Gió đẩy trái: theo TCVN 2737-1995, khu vực Hà Nội (95 kG/m2); Nhóm 3: Gió đẩy phải: theo TCVN 2737-1995, khu vực Hà Nội (95 kG/m2) Từ nhóm tải trọng trên, ta khai báo nhóm tải trọng tổ hợp để phần mềm Vn3DNC tính tốn nội lực, chuyển vị ứng suất cho toán khảo sát: Trường hợp (TH1): Tĩnh tải + hoạt tải sửa chữa (0 + 1); Trường hợp (TH2): Tĩnh tải + gió đẩy trái (0 + 2); Trường hợp (TH3): Tĩnh tải + gió đẩy phải (0 + 3) 3.2 Giải tốn 3.2.1 Mơ tả tốn Bài tốn 1: Thiết kế khung theo mơ hình truyền thống Phần số liệu kết cấu, tải trọng, liên kết nhập tính tốn tốn thiết kế thơng thường Các kết cấu cột, kèo mô tả phần tử 3D (nhưng giải theo mơ hình phẳng); tải trọng khai báo theo nhóm tổ hợp tải trọng trình bày Các kết tính tốn tốn sử dụng làm đối chứng, với kết nghiên cứu tốn Bài tốn 2: Thiết kế khung có kể đến sai số lắp dựng Do khn khổ có hạn nên viết xét 01 trường hợp, sai số lắp dựng cột không thật thẳng đứng Bài tốn 2, giải với nhiều “lượt” tính, lượt tính có sai số lắp dựng khác Các kết sau lượt tính lưu lại để so sánh đánh giá với kết tốn Bài tốn sử dụng lại tồn số liệu kết cấu, tải trọng nhập từ tốn 1, số liệu tính tốn có thêm lượng định trị số “chuyển dịch trước” sai số lắp dựng Bảng Độ lệch đỉnh cột X tương ứng với lượt tính tốn Lượt tính Lượt tính Lượt tính Lượt tính Lượt tính Lượt tính x = -0,03m x = -0,02m x = -0,01m x = +0,01m x = +0,02m x = +0,03m 3.2.2 Giải toán 1: Thiết kế khung theo mơ hình truyền thống a) Sơ đồ đánh số nút b) Sơ đồ đánh số phần tử Hình Sơ đồ đánh số nút, số phần tử 60 Chuyên san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS a) Tĩnh tải (nhóm 0) b) Hoạt tải sửa chữa c) Gió đẩy trái (nhóm 1) (nhóm 2) Hình Sơ đồ tính nhóm tải trọng a) Chuyển vị TH1 gây b) Chuyển vị TH2 gây d) Gió đẩy phải (nhóm 3) c) Chuyển vị TH3 gây Hình Kết tính tốn chuyển vị theo phương án thiết kế truyền thống a) Mô men TH1 gây b) Mô men TH2 gây c) Mơ men TH3 gây Hình Kết tính tốn mơ men theo phương án thiết kế truyền thống 3.2.3 Giải tốn 2: Thiết kế khung có kể đến sai số lắp dựng a) Độ lệch x=-0,010 b) Độ lệch x=0,010 Hình Minh họa sơ đồ tính khung K1 sau khai báo độ lệch x Bài toán giải nội lực khung K1 với giả thiết đỉnh cột bị lệch trái (hoặc lệch phải) với độ lệch x Độ lệch đỉnh cột khảo sát với trị số biến thiên X = -30 mm +30 mm, 61 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University bước khảo sát lượt tính 10 mm (tổng cộng có 06 lượt tính) a) Mô men TH1 gây b) Mô men TH2 gây c) Mô men TH3 gây Hình Kết tính mơ men tốn (lượt tính 1, x=-0,030) a) Mơ men TH1 gây b) Mô men TH2 gây c) Mơ men TH3 gây Hình 10 Kết tính mơ men tốn (lượt tính 2, x=-0,020) a) Mô men TH1 gây b) Mô men TH2 gây c) Mô men TH3 gây Hình 11 Kết tính mơ men tốn (lượt tính 3, x=-0,010) a) Mơ men TH1 gây b) Mô men TH2 gây c) Mơ men TH3 gây Hình 12 Kết tính mơ men tốn (lượt tính 4, x= 0,010) a) Mơ men TH1 gây b) Mô men TH2 gây c) Mô men TH3 gây Hình 13 Kết tính mơ men tốn (lượt tính 5, x= 0,020) a) Mô men TH1 gây b) Mô men TH2 gây c) Mô men TH3 gây Hình 14 Kết tính mơ men tốn (lượt tính 6, x= 0,030) 62 Chun san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS 3.3 So sánh đánh giá Bảng Tổng hợp kết tính từ toán toán (chỉ tổng hợp kết tải trọng tổ hợp gây ra) Bài tốn Bài Sai Lượt tính Lượt Lượt Lượt Lượt Lượt tốn 1 tính tính tính tính tính lệch (%) x= x= x= x= x= x= x= 0,00m -0,03m -0,02m -0,01m +0,01m +0,02m +0,03m TT Đại lượng thống kê Đơn vị tính Chuyển vị ngang cực đại đỉnh cột (dX nút 3) mm 62,17 -92,78 -82,52 -72,25 72,43 82,69 92,96 49,52 Chuyển vị đứng cực đại đỉnh kèo mm (dZ nút 5) -91,23 -95,16 -93,85 -92,54 -89,92 -88,61 -87,30 4,30 Lực dọc max chân cột (Nzmax nút 1) kN 56,63 60,21 59,02 57,83 55,44 54,24 53,05 6,31 Ứng suất max chân cột (max nút 1) MPa 9,97 10,60 10,39 10,18 9,76 9,55 9,34 6,32 Mô men max đỉnh cột (Mzmax nút 3) kN,m 220,21 Ứng suất max đỉnh cột (max nút 3) MPa -117,85 -178,64 -168,19 -157,74 -136,85 -126,40 -115,95 51,58 Mô men max đỉnh kèo (Mzmax nút 5) kN,m Ứng suất max đỉnh kèo (max nút 5) MPa -118,37 -124,91 -122,73 -120,55 -116,19 -114,01 -112,05 5,52 58,18 268,94 252,34 235,74 202,55 185,95 169,35 22,13 62,24 60,89 59,53 56,83 55,47 54,12 6,98 Ghi chú: Các trị số in đậm gạch chân trị số chọn để so sánh mức độ “Sai lệch” Bảng kết so sánh tốn với lượt tính toán nội lực, chuyển vị ứng suất số nút (vị trí) đại diện khung K1 Từ kết thể bảng 1, ta có nhận xét, đánh sau: - So với kết toán (khi độ lệch x = 0,00 m), trị số nội lực, ứng suất tốn có thay đổi đáng kể có độ lệch x 0; - Khi trị số độ lệch x lớn mức độ ảnh hưởng đến nội lực chuyển vị kết cấu nhiều Khi độ chuyển dịch trước 30 mm ứng suất đỉnh cột tăng 51,58%; chuyển vị ngang tăng 49,52%, lượng gia tăng đáng kể đáng ngại 63 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University Kết luận Các nghiên cứu lý thuyết thử nghiệm số phần mềm Vn3DNC cho thấy tầm quan trọng sai số lắp dựng đến chất lượng chịu lực kết cấu khung thép Các sai số khơng khống chế xử lý tốt gây nên tượng ứng suất trước khung thép, ứng suất trước cộng tác dụng với ứng suất ngoại tải gây khiến cho trạng thái chịu lực kết cấu bị vượt giới hạn, chí dẫn đến phá hoại kết cấu Kết nghiên cứu cho thấy thiết kế kết cấu khung thép nhà tiền chế, cần phải có khống chế độ lệch cho phép lắp dựng kết cấu trường Tài liệu tham khảo TCXDVN 170-2007, Kết cấu thép - Gia công, lắp ráp nghiệm thu, yêu cầu kỹ thuật TCVN 2737-1995, Tải trọng tác động - Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5575-2012, Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế Nguyễn Quốc Bảo, Trần Nhất Dũng (2013) Phương pháp phần tử hữu hạn (tập 1, 2) Nxb Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Văn n (chủ biên) Tính tốn kết cấu thép Trường đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh INFLUENCE OF INSTALLATION DEVIATION ON INTERNAL FORCES AND DISPLACEMENTS OF STEEL FRAME STRUCTURE FOR INDUSTRIAL BUILDINGS Abstract: The results will be used to recommend the similar structure The article evaluates the effect of installation deviation among Zamil Steel pre-engineered frame components By using software Vn3DNC developed by author according to finite element method theory, numerical results have qualitatively and quantitatively pointed out the influence of those deviation on internal forces and displacements of steel frame structure for industrial buildings The results will be used to recommend the similar structure Keywords: Internal force; displacement; installation deviation; steel frame structure; industrial building Ngày nhận bài: 20/8/2018; Ngày nhận sửa lần cuối: 08/10/2018; Ngày duyệt đăng: 18/01/2019 64