Tính toán kết cấu khung thép thành mỏng tạo hình nguội nhà một tầng theo tiêu chuẩn aisi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐỒN VĂN DŨNG TÍNH TỐN KẾT CẤU KHUNG THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI NHÀ MỘT TẦNG THEO TIÊU CHUẨN AISI LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐỒN VĂN DŨNG TÍNH TỐN KẾT CẤU KHUNG THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI NHÀ MỘT TẦNG THEO TIÊU CHUẨN AISI Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp Mã số: NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS NGUYỄN TIẾN CHƯƠNG HÀ NỘI, NĂM 2020 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu độc lập thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn Đoàn Văn Dũng i LỜI CÁM ƠN Trước hết, tác giả xin bày tỏ tình cảm biết ơn chân thành tới Ban giám hiệu Trường đại học Thủy Lợi quan tâm, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành chương trình đào tạo, đồng thời xin chân thành cảm ơn tất thầy Khoa Cơng trình – Trường đại học Thủy Lợi giúp đỡ, dẫn hữu ích q trình học tập, thời gian tiến hành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô Bộ môn Xây dựng Dân dụng Công nghiệp – Trường đại học Thủy Lợi có ý kiến quý báu cho thảo luận văn Đặc biệt, tác giả xin cảm ơn GS.TS NGUYỄN TIẾN CHƯƠNG tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn đưa nhiều ý kiến quý báu, tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu động viên suốt trình hồn thành luận văn Tác giả xin trân trọng cảm ơn bạn đồng nghiệp, gia đình giúp đỡ, động viên trình học tập, nghiên cứu thực luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng để hồn thiện Luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp quý báu Quý thầy cô đồng nghiệp Tác giả luận văn Đoàn Văn Dũng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CÁM ƠN ii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ix MỞ ĐẦU 1 Về tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 Cách tiếp cận phương pháp nguyên cứu Kết dự kiến đạt CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI 1.1 Giới thiệu kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phạm vi áp dụng kết cấu thép thành mỏng .4 1.1.3 Biện pháp thi công 10 1.2 Ưu điểm, nhược điểm kết cấu thép thành mỏng 11 1.2.1 Ưu điểm .11 1.2.2 Nhược điểm 11 1.3 Vật liệu dùng kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội 12 1.3.1 Đặc tính thép hình nguội .12 1.3.2 Vấn đề phòng gỉ 13 1.4 Công nghệ chế tạo thép thành mỏng 15 1.4.1 Máy dập mép .15 1.4.2 Máy ép khuôn 16 1.4.3 Máy cán trục lăn 17 1.5 Ảnh hưởng cường độ thép tạo hình nguội 18 1.5.1 Sự tăng cứng dập nguội 18 iii 1.5.2 Xác định cường độ tính tốn thép sau dập nguội 19 1.6 Phương pháp thiết kế 20 Kết luận chương 22 CHƯƠNG CƠ SỞ TÍNH TỐN KẾT CẤU THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI THEO TIÊU CHUẨN AISI 23 2.1 Các đặc trưng cấu kiện thành mỏng 23 2.1.1 Phần tử nén không tăng cứng (u.c.e) 23 2.1.2 Phần tử nén cứng tăng cứng phần (s.c.e) 23 2.1.3 Phần tử tăng cứng nhiều lần (Multiple stiffened element) 24 2.1.4 Bề rộng phẳng (Flat width - w) 24 2.1.5 Tỷ lệ bề rộng phẳng chiều dày (Flat Width-Thickness Ratio) 24 2.1.6 Chiều rộng hiệu (Effective Design Width – b) 24 2.1.7 Chiều dày (t) 25 2.1.8 Đặc trưng hình học tiết diện 25 2.1.9 Chiều rộng hiệu phần tử chịu nén 25 2.2 Thiết kế cấu kiện chịu uốn 35 2.2.1 Cường độ chịu uốn 36 2.2.2 Cường độ chịu oằn bên tượng uốn – xoắn 37 2.2.3 Tính tốn dầm chịu cắt 43 2.2.4 Tính tốn dầm chịu cắt uốn đồng thời 46 2.2.5 Tính toán bụng dầm bị ép dập 47 2.2.6 Tính tốn bụng dầm chịu ép dập kết hợp uốn 48 2.3 Thiết kế cấu kiện chịu nén 49 2.3.1 Sự oằn uốn dọc 49 2.3.2 Sự oằn xoắn uốn xoắn 51 2.4 Thiết kế cấu kiện chịu uốn chịu lực dọc trục 53 2.4.1 Cấu kiện chịu kéo tâm 53 2.4.2 Cấu kiện chịu kéo kết hợp uốn 55 2.4.3 Cấu kiện chịu nén tâm 56 2.4.4 Cấu kiện chịu nén kết hợp uốn 57 2.5 Liên kết kết cấu thép thành mỏng 59 2.5.1 Liên kết hàn 59 iv 2.5.2 Liên kết bu lông 60 2.5.3 Liên kết vít 63 Kết luận chương 65 CHƯƠNG ÁP DỤNG TÍNH TỐN KHUNG MỘT TẦNG 66 3.1 Thơng số cơng trình số liệu tính toán 66 3.1.1 Thơng số cơng trình 66 3.1.2 Số liệu tính toán 67 3.2 Sơ đồ tính tải trọng tác dụng 68 3.2.1 Sơ đồ tính .68 3.2.2 Tải trọng tính tốn 69 3.3 Nội lực tổ hợp nội lực 71 3.3.1 Nội lực 71 3.3.2 Tổ hợp nội lực .71 3.4 Thiết kế cấu kiện khung 71 3.4.1 Thiết kế cột 71 3.4.2 Thiết kế xà mái 80 3.5 Thiết kế liên kết 88 3.5.1 Vật liệu sử dụng 88 3.5.2 Thiết kế liên kết chân cột 89 3.5.3 Thiết kế liên kết cột – xà .92 3.5.4 Thiết kế liên kết xà – xà 95 3.6 Kết luận chương 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .98 Kết luận Error! Bookmark not defined Kiến nghị Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 PHỤ LỤC 102 PHỤ LỤC 104 PHỤ LỤC 112 v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Máy gập mép 16 Hình 1.2 Máy ép khn 17 Hình 1.3 Dây chuyền máy ép trục lăn 18 Hình 2.1 Sự oằn bên uốn – xoắn 38 Hình 2.2 Ứng suất oằn bên lớn dầm tiết diện chữ I 41 Hình 2.3 Sự vênh bụng tác dụng lực cắt tới hạn 45 Hình 2.4 So sánh Pcr với Px, Py Pz tiết diện hình mũ 53 Hình 2.5 Các trường hợp phá hoại liên kết bu lông 61 Hình 3.1 Mặt tầng 66 Hình 3.2 Mặt đứng trục 1-6 66 Hình 3.3 Mặt đứng trục A-B 67 Hình 3.4 Mặt cắt 1-1 67 Hình 3.5 Sơ đồ tính tốn 68 Hình 3.6 Tiết diện cột 71 Hình 3.7 Tiết diện cột 81 Hình 3.8 Liên kết chân cột 89 Hình 3.9 Liên kết cột - xà 92 Hình 3.10 Liên kết xà - xà 95 Hình PL Sơ đồ cấu kiện 104 Hình PL Sơ đồ phần tử 104 Hình PL Tĩnh tải tác dụng 104 Hình PL Hoạt tải tác dụng 105 Hình PL Tải gió +GCpi tác dụng 105 Hình PL Tải gió -GCpi tác dụng 105 Hình PL Lực dọc tổ hợp Comb1 tác dụng 106 Hình PL Lực dọc tổ hợp Comb2 tác dụng 106 Hình PL Lực dọc tổ hợp Comb3 tác dụng 106 vi Hình PL 10 Lực dọc tổ hợp Comb4 tác dụng .107 Hình PL 11 Lực dọc tổ hợp Comb5 tác dụng .107 Hình PL 12 Lực dọc tổ hợp Comb6 tác dụng .107 Hình PL 13 Mơ men tổ hợp Comb1 tác dụng 108 Hình PL 14 Mơ men tổ hợp Comb2 tác dụng 108 Hình PL 15 Mô men tổ hợp Comb3 tác dụng 108 Hình PL 16 Mơ men tổ hợp Comb4 tác dụng 109 Hình PL 17 Mơ men tổ hợp Comb5 tác dụng 109 Hình PL 18 Mơ men tổ hợp Comb6 tác dụng 109 Hình PL 19 Lực cắt tổ hợp Comb1 tác dụng 110 Hình PL 20 Lực cắt tổ hợp Comb2 tác dụng 110 Hình PL 21 Lực cắt tổ hợp Comb3 tác dụng 110 Hình PL 22 Lực cắt tổ hợp Comb4 tác dụng 111 Hình PL 23 Lực cắt tổ hợp Comb5 tác dụng 111 Hình PL 24 Lực cắt tổ hợp Comb6 tác dụng 111 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng PL Nội lực chân cột 112 Bảng PL Nội lục cột 112 Bảng PL Nội lực xà mái 113 viii TÀI LIỆU THAM KHẢO A Tiếng Việt [1] Phạm Minh Hà – Đồn Tuyết Ngọc (2008), Thiết kế khung thép nhà cơng nghiệp tầng, nhịp, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội [2] Nguyễn Hồng Chiến (2012), Nghiên cứu tính toán thành mỏng dùng kết cấu khung thép theo quy phạm Mỹ, Luận văn Thạc sỹ trường Học viện Quân Sự [3] Đoàn Định Kiến (2009), Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [4] Nguyễn Hồng Sơn (2011), Bài giảng Kết cấu thép thành mỏng, Học viện Kỹ thuật Quân [5] Tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 2737:1995, “Tải trọng Tác động – Tiêu chuẩn thiết kế” [6] Tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 5575:2012, “Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế” Tiếng Anh [8] American Iron and Steel Institute (2002), Specification for the Design Cold formed Steel Structural Members, 2002 [9] American Iron and Steel Institute (2006), Distortional Buckling of Cold formed Steel Columns, 2006 [10] Wei Wen Yu, Cold - formed Steel Design, Third Edition (2000), John Wiley & Sons, Inc, New York [11] Bristish Standard, BS 5950 Structural use of Steelwork in Building, Part 5“Code of Practice for the Design of Cold Formed Sections”, 1991 100 [12] Eurocode 3, EN 1993-1-3 Design of Steel Structural: Cold Formed Thin Gauge Member and Sheeting [13] Australian/New Zealand Standard, AS/NZS 4600:1996, Cold - Formed Steel Structures [14] American Society of Civil Engineers (ASCE/SEI 7-05), Minium Design Loads for Buldings and Other Structures 101 PHỤ LỤC PL1 Vật liệu sử dụng kết cấu thép thành mỏng Tên tiêu chuẩn Giới hạn chảy Giới hạn bền Fy (Mpa) Fu (Mpa) C250 250 320 C350 350 430 C450 450 500 G250 250 320 G300 300 340 G350 350 430 G450 450 480 G500 500 520 G550 550 550 200 (t ≤ 8mm) 200 300 250 (t ≤ 8mm) 250 410 300 (t ≤ 8mm) 300 430 350 (t ≤ 8mm) 350 450 400 (t ≤ 8mm) 400 480 Cấp thép AS 1163 AS 1397 AS/NZS 3678 PL1 Hệ số chiều dài tính tốn cột Hình dạng cột oằn (đường nét đứt) Giá trị k lý thuyết 0,5 0,7 1,0 1,0 2,0 2,0 Giá trị k thiết kế gối tựa không lý tưởng 0,6 0,8 1,0 1,2 2,1 2,0 102 Ký hiệu gối tựa Ngàm Khớp cố định Ngàm trượt Đầu tự PL1 Hệ số ép mặt C Chiều dày tấm, t (mm) 0,024 ≤ t < 0,1875 0,61 ≤ t < 4,76 Liên kết với lỗ tiêu chuẩn Tỉ số đường kính bu C lơng chiều dày tấm, d/t d/t < 10 Liên kết với lỗ khổ có rãnh Tỉ số đường kính bu lơng chiều dày tấm, d/t C d/t < 10 ≤ d/t ≤ 22 - 0,1(d/t) ≤ d/t ≤ 18 + 14(d/t) d/t > 22 1.8 d/t > 18 1.8 PL1 Hệ số điều chỉnh cho loại liên kết chịu ép mặt mf Kiểu phá hoại liên kết mf Liên kết mặt cắt liên kết hai mặt cắt sử dụng lỗ tiêu chuẩn có vịng đệm bu lông đai ốc 1,00 Liên kết mặt cắt liên kết hai mặt cắt khơng sử dụng lỗ tiêu chuẩn có vịng đệm bu lông đai ốc, có vịng đệm 0,75 Liên kết mặt cắt ngồi liên kết hai mặt cắt khơng sử dụng lỗ khổ có rãnh song song với lực tác dụng mà khơng có vịng đệm bu lơng đai ốc, có vòng đệm 0,70 Liên kết mặt cắt ngồi liên kết hai mặt cắt khơng sử dụng lỗ q khổ có rãnh vng góc với lực tác dụng mà khơng có vịng đệm bu lơng đai ốc, có vịng đệm 0,55 Tấm bên liên kết hai mặt cắt sử dụng lỗ tiêu chuẩn có khơng có vịng đệm 1,33 Tấm bên liên kết hai mặt cắt sử dụng lỗ khổ có rãnh song song với lực tác dụng, có khơng có vịng đệm 1,10 Tấm bên liên kết hai mặt cắt sử dụng lỗ q khổ có rãnh vng góc với lực tác dụng, có khơng có vịng đệm 0,90 103 PHỤ LỤC Hình PL Sơ đồ cấu kiện Hình PL Sơ đồ phần tử Hình PL Tĩnh tải tác dụng 104 Hình PL Hoạt tải tác dụng Hình PL Tải gió +GCpi tác dụng Hình PL Tải gió -GCpi tác dụng 105 Hình PL Lực dọc tổ hợp Comb1 tác dụng Hình PL Lực dọc tổ hợp Comb2 tác dụng Hình PL Lực dọc tổ hợp Comb3 tác dụng 106 Hình PL 10 Lực dọc tổ hợp Comb4 tác dụng Hình PL 11 Lực dọc tổ hợp Comb5 tác dụng Hình PL 12 Lực dọc tổ hợp Comb6 tác dụng 107 Hình PL 13 Mơ men tổ hợp Comb1 tác dụng Hình PL 14 Mơ men tổ hợp Comb2 tác dụng Hình PL 15 Mơ men tổ hợp Comb3 tác dụng 108 Hình PL 16 Mơ men tổ hợp Comb4 tác dụng Hình PL 17 Mơ men tổ hợp Comb5 tác dụng Hình PL 18 Mơ men tổ hợp Comb6 tác dụng 109 Hình PL 19 Lực cắt tổ hợp Comb1 tác dụng Hình PL 20 Lực cắt tổ hợp Comb2 tác dụng Hình PL 21 Lực cắt tổ hợp Comb3 tác dụng 110 Hình PL 22 Lực cắt tổ hợp Comb4 tác dụng Hình PL 23 Lực cắt tổ hợp Comb5 tác dụng Hình PL 24 Lực cắt tổ hợp Comb6 tác dụng 111 PHỤ LỤC Bảng PL Nội lực chân cột Phần tử Tổ hợp 1 1 1 3 3 3 COMB1 COMB2 COMB3 COMB4 COMB5 COMB6 COMB1 COMB2 COMB3 COMB4 COMB5 COMB6 V kN P kN 14.38 -15.45 -19.59 7.63 -26.13 -21.98 -14.38 -18.89 -14.79 -7.63 -8.25 -12.35 34.44 -8.38 7.00 19.31 -8.32 -23.70 34.44 0.12 15.53 19.31 0.21 -15.20 M kN.m 36.24 -36.26 -34.63 19.22 -51.10 -52.73 -36.24 -36.90 -38.59 -19.22 -22.12 -20.43 Bảng PL Nội lục cột Phần tử Vị trí Tổ hợp 1 1 1 1 1 1 2 2 6 6 6 6 COMB1 COMB1 COMB2 COMB2 COMB3 COMB3 COMB4 COMB4 COMB5 COMB5 COMB6 COMB6 COMB1 COMB1 COMB2 COMB2 COMB3 P kN -34.44 -32.81 8.38 10.01 -7.00 -5.37 -19.31 -17.40 8.32 9.55 23.70 24.92 -34.44 -32.81 -0.12 1.51 -15.53 112 V kN -14.38 -14.38 15.45 2.19 19.59 -9.09 -7.63 -7.63 26.13 -2.56 21.98 8.72 14.38 14.38 18.89 -5.05 14.79 M kN.m -36.24 50.05 36.26 -16.65 34.63 3.14 -19.22 26.55 51.10 -19.61 52.73 -39.40 36.24 -50.05 36.90 -4.60 38.59 Phần tử Vị trí Tổ hợp 2 2 2 6 6 COMB3 COMB4 COMB4 COMB5 COMB5 COMB6 COMB6 P kN -13.89 -19.31 -17.40 -0.21 1.02 15.20 16.42 V kN 6.21 7.63 7.63 8.25 -0.33 12.35 -11.59 M kN.m -24.41 19.22 -26.55 22.12 -1.67 20.43 18.15 Bảng PL Nội lực xà mái Phần tử Vị trí Tổ hợp 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 3.1 6.2 3.1 6.2 3.1 6.2 3.1 6.2 3.1 6.2 3.1 6.2 3.1 6.2 3.1 6.2 3.1 COMB1 COMB1 COMB1 COMB2 COMB2 COMB2 COMB3 COMB3 COMB3 COMB4 COMB4 COMB4 COMB5 COMB5 COMB5 COMB6 COMB6 COMB6 COMB1 COMB1 COMB1 COMB2 COMB2 COMB2 COMB3 COMB3 113 P kN -22.39 -18.14 -13.89 4.71 8.09 11.47 -10.17 -6.79 -3.41 -11.88 -9.62 -7.37 0.01 1.46 2.91 14.89 16.33 17.78 -22.39 -18.14 -13.89 5.27 8.66 12.04 -9.60 -6.22 V kN -27.96 -12.12 3.73 9.10 2.45 -4.21 -2.83 -1.53 -0.23 -14.83 -6.43 1.98 9.88 3.98 -1.93 21.81 7.95 -5.90 -27.96 -12.12 3.73 0.15 -0.97 -2.10 -11.81 -4.95 M kN.m -50.05 12.19 25.22 16.65 -1.29 1.45 -3.14 3.62 6.35 -26.55 6.47 13.38 19.61 -1.92 -5.11 39.40 -6.82 -10.01 -50.05 12.19 25.22 -4.60 -3.32 1.45 -24.41 1.62 Phần tử Vị trí Tổ hợp 4 4 4 4 4 6.2 3.1 6.2 3.1 6.2 3.1 6.2 COMB3 COMB4 COMB4 COMB4 COMB5 COMB5 COMB5 COMB6 COMB6 COMB6 114 P kN -2.84 -11.88 -9.62 -7.37 0.58 2.03 3.48 15.45 16.90 18.35 V kN 1.91 -14.83 -6.43 1.98 0.90 0.56 0.21 12.86 4.53 -3.79 M kN.m 6.35 -26.55 6.47 13.38 -1.67 -3.92 -5.11 18.15 -8.86 -10.01