Nghiên cứu đánh giá khả năng chịu uốn theo trục yếu của thép chữ c tạo hình nguội (tóm tắt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI PHẠM TUẤN HOÀNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN THEO TRỤC YẾU CỦA THÉP CHỮ C TẠO HÌNH NGUỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG Hà Nội – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI - PHẠM TUẤN HOÀNG KHÓA: 2021 - 2023 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU UỐN THEO TRỤC YẾU CỦA THÉP CHỮ C TẠO HÌNH NGUỘI Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số: 8.58.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ QUỐC ANH TS PHẠM NGỌC HIẾU XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN Hà Nội – 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu Luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng TÁC GIẢ LUẬN VĂN Phạm Tuấn Hoàng ii LỜI CÁM ƠN Tác giả xin trân trọng cảm ơn thày cô Bộ môn Kết Cấu, Khoa Sau Đại học, trường Đại học Kiến trúc Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Vũ Quốc Anh TS Phạm Ngọc Hiếu trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tận tình cho tác giả hồn thành luận văn Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo đồng nghiệp nơi tác giả công tác quan tâm tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ, giúp đỡ tác giả việc thu thập thông tin, tài liệu trình thực luận văn Xin cảm ơn gia đình, bạn bè lớp cao học giúp đỡ động viên tác giả trình học tập nghiên cứu để hồn thành luận văn Do điều kiện thời gian chun mơn cịn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận dẫn đóng góp ý kiến thày giáo, giáo, nhà khoa học đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Tác giả luận văn Phạm Tuấn Hoàng iii MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cám ơn Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu MỞ ĐẦU * Lý lựa chọn đề tài 1  * Mục tiêu nghiên cứu 2  * Đối tượng phạm vi nghiên cứu 2  * Phương pháp nghiên cứu 2  * Ý nghĩa nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU4  1.1 Giới thiệu chung .4  1.2 Đặc điểm vật liệu phương pháp chế cấu kiện thép tạo hình nguội 4  1.2.1 Đường cong ứng suất biến dạng .4  1.2.2 Ảnh hưởng trình tạo hình nguội đến tính chất học thép 5  1.2.3 Các phương pháp chế tạo cấu kiện thép tạo hình nguội 18  1.3 Các dạng ổn định cấu kiện thép tạo hình nguội .20  1.4 Phương pháp thiết kế tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép tạo hình nguội 22  1.5 Ứng dụng kết cấu thép tạo hình nguội 23  1.6 Tổng quan lại nghiên cứu làm việc chịu uốn cấu kiện thép tạo hình nguội chữ C 28  iv 1.7 Tổng kết chương 30  CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO TÍNH TỐN CẤU KIỆN THÉP TẠO HÌNH NGUỘI31  2.1 Đặt vấn đề 31  2.2 Lý thuyết ổn định tiết diện 31  2.2.1 Mất ổn định cục 31  2.2.2 Mất ổn định méo tiết diện .35  2.3 Các phương pháp thiết kế cấu kiện thép tạo hình nguội 36  2.3.1 Phương pháp bề rộng hiệu dụng (EWM) 36  2.3.2 Phương pháp cường độ trực tiếp (DSM) .36  2.3.3 Phương pháp cường độ liên tục (CSM) 38  2.4 Quy trình xác định khả chịu lực cấu kiện thép tạo hình nguội sử dụng phương pháp Cường độ trực tiêu chuẩn Australia AS/NZS 4600-2018 40  2.4.1 Phân tích ổn định tuyến tính tiết diện 41  2.4.2 Áp dụng phương pháp Cường độ trực tiếp xác định khả chịu lực dầm thép tạo hình nguội .46  2.5 Tổng kết chương 47  CHƯƠNG KHẢO SÁT KHẢ NĂNG CHỊU LỰC TIẾT DIỆN CỦA THÉP CHỮ C & SUPACEE TẠO HÌNH NGUỘI KHI UỐN THEO TRỤC YẾU48  3.1 Mơ hình khảo sát 48  3.2 Ví dụ tính tốn khả chịu uốn theo trục yếu tiết diện chữ C SupaCee .53  3.2.1 Tiết diện chữ C 53  3.2.2 Tiết diện SupaCee 58  3.2.3 Nhận xét 62  v 3.3 Khảo sát khả chịu uốn theo trục yếu tiết diện chữ C SupaCee 62  3.3.1 Phân tích ổn định tuyến tính 62  3.3.2 So sánh khả chịu uốn theo trục yếu tiết diện chữ C SupaCee 66  3.4 Ảnh hưởng khoảng cách cặp sườn gia cường đến khả chịu uốn theo trục yếu tiết diện SupaCee 70  3.4.1 Khả chịu uốn theo trục khỏe 72  3.4.2 Khả chịu uốn theo trục yếu 75  3.4.3 Nhận xét thảo luận 76  3.6 Kết luận chương 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ * KẾT LUẬN 79  * KIẾN NGHỊ 80  TÀI LIỆU THAM KHẢO 81  vi DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình Trang Hình 1.1 Đường cong ứng suất biến dạng [1] Hình 1.2 Ảnh hưởng trình tạo hình nguội với đặc điểm ứng suất-biến dạng [1] Hình 1.3 Đường cong ứng suất - biến dạng ống tạo hình nguội [1] Hình 1.4 Đặc tính chịu kéo tiết diện hộp hình vng tạo hình nguội [1] Hình 1.5 Các thành phần ứng suất dư Hình 1.6 Máy thép: (bên trái) thép đưa vào dây truyền cuốn,(bên 11 phải) thép phẳng tạo hình thành hình chữ C [2] Hình 1.7 Sự tạo hình: góc uốn chảy dẻo bật lại thép 11 dẫn đến ứng suất dư phi tuyến dọc theo chiều dày [2] Hình 1.8 Hệ tọa độ ứng suất biến dạng cho trình uốn tạo hình 12 nguội [2] Hình 1.9 Quá trình thép với cuộn thép đưa vào từ phía (a); 13 từ phía (b) [2] Hình 1.10 Quá trình cuộn thép dẫn tới đường cong ứng suất dư [2] 14 Hình 1.11 15 Sự phân bố ứng suất dọc theo cuộn [2] Hình 1.12 Dự đốn phân bố ứng suất theo phương dọc trình tạo 16 hình [2] Hình 1.13 Quá trình tạo hình thép [2] 17 Hình 1.14 Ứng suất chảy theo phương ngang cặp ngẫu lực bật lại 17 đàn hồi [2] Hình 1.15 Tạo hình nguội thép phẳng xảy gồm có uốn chảy dẻo bật lại đàn hồi dẫn tới cưỡng ứng suất dư theo phương ngang [2] 18 vii Hình 1.16 Quá trình tạo hình theo phương ngang dẫn đến ảnh hưởng 18 ứng suất theo phương dọc điều kiện biến dạng phẳng [2] Hình 1.17 Tiết diện chữ Z nguội điển hình [1] 19 Hình 1.18 Các thiết bị tạo hình nguội [1] 20 Hình 1.19 Các dạng ổn định 21 Hình 1.20 Hình ảnh kết cấu khung thép tạo hình nguội Việt Nam 24 Hình 1.21 Tiết diện SupaC (bên trái) SupaZ (bên phải) [6] 27 Hình 2.1 Phân bố ứng suất thực ứng suất hiệu dụng 34 Hình 2.2 Mất ổn định cục bộ, ổn định méo 36 Hình 2.3 Biểu đồ làm việc vật liệu theo phương pháp CSM [51] 40 Hình 2.4 Giao diện phần mềm THIN-WALL-2 43 Hình 2.5 Phân chia dải hữu hạn [57] 43 Hình 2.6 Đường cong ứng suất ổn định tiết diện chịu nén 44 Hình 2.7 Khai báo vật liệu tiết diện 44 Hình 2.8 Khai báo trường hợp tải tác dụng 45 Hình 2.9 Các đặc trưng hình học tiết diện 45 Hình 2.10 Đường cong chữ ký - ứng suất ổn định tuyến tính tiết 46 diện Hình 3.1 Các kích thước tiết diện chữ C SupaCee 50 Hình 3.2 Đường cong ứng suất biến dạng loại thép G450 [7] 51 Hình 3.3 Quy ước chiều mơ men tác dụng 51 Hình 3.4 Phân tích ổn định tuyến tính cho tiết diện C20012 55 chịu uốn theo trục yếu: a) Khi mơ men có chiều âm; b, c) Khi mơ men có chiều dương Hình 3.5 Phân tích ổn định tuyến tính cho tiết diện C20012 chịu uốn theo trục yếu: a) Khi mơ men có chiều âm; b, c) Khi mơ men có chiều dương 60 viii Hình 3.6 Ứng xử tiết diện khảo sát với thay đổi chiều 66 mô men tác dụng Hình 3.7 Sơ đồ làm việc dầm 68 Hình 3.8 Tỉ số M(+)/M(-) cho tiết diện chữ C SupaCee 70 Hình 3.9 Các kích thước tiết diện SupaCee 72 Hình 3.10 Dầm chịu uốn sơ đồ 77 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ * KẾT LUẬN Luận văn tập trung vào vấn đề nghiên cứu khảo sát khả chịu lực tiết diện chữ C SupaCee bị uốn theo trục yếu Các tiết diện khảo sát, vật liệu sử dụng phương pháp thiết kế dùng khảo sát tuân theo tiêu chuẩn Australia/New Zealand AS/NZS 4600: 2018 Phương pháp Cường độ trực tiếp (DSM) áp dụng tính tốn với hỗ trợ phần mềm THIN-WALL-2 Dựa kết khảo sát, kết luận đưa sau: - Ứng xử tiết diện chữ C SupaCee thay đổi chiều tác dụng mô men thay đổi tính khơng đối xứng theo trục yếu hai loại tiết diện - Mất ổn định cục đóng vai trị chủ đạo mơ men có chiều âm, ổn định méo tiết diện có vai trị định với chiều dương mô men Khả chịu lực tiết diện hai loại tiết diện có lợi chịu mô men tác dụng theo chiều dương - Ưu điểm mặt chịu lực tiết diện SupaCee bị uốn theo trục yếu so sánh với khả chịu lực tiết diện chữ C Vị trí sườn cứng bụng tiết diện SupaCee khảo sát để đánh giá ảnh hưởng tới khả chịu uốn loại tiết diện theo trục khỏe trục yếu Đối với trường hợp uốn theo trục yếu, có mơ men tác dụng theo chiều âm xem xét đến Các kết khảo sát cho thấy rằng: Mơ men cục có xu hướng tăng lên cặp sườn gia cường có xu hướng xích lại gần Các khảo sát đưa hiểu biết định ứng xử khả chịu lực tiết diện chữ C SupaCee chịu uốn theo trục yếu 80 * KIẾN NGHỊ - Trong trường hợp chịu uốn theo trục yếu, tiết diện chữ C SupaCee nên uốn theo chiều dương mô men quy ước có lợi mặt chịu lực - Các cặp sườn bố trí xích lại gần trọng tâm bụng có lợi mặt chịu lực - Nghiên cứu thêm trường hợp chịu cắt theo trục yếu 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO G J Hancook, T M Murray, and D S Ellifritt, Cold-formed Steel Structures to the AISI Specification The United States of America, 2001 C D Moen, T Igusa, and B W Schafer, “Prediction of residual stresses and strains in cold-formed steel members,” Thin-Walled Structures, vol 46, no 11, pp 1274–1289, 2008 V V Nguyen, G J Hancock, and C H Pham, “Development of the Thin-Wall-2 for Buckling Analysis of Thin-Walled Sections Under Generalised Loading,” in Proceeding of 8th International Conference on Advances in Steel Structures, 2015 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 AS/NZS 4600-2018, Australian / New Zealand Standard TM Cold-formed steel structures The Council of Standards Australia, 2018 BlueScope Lysaght, Supapurlins Supazeds & Supacees Blue Scope Lysaghts, 2014 G J Hancock and C H Pham, New section shapes using high-strength steels in cold-formed steel structures in Australia Elsevier Ltd, 2016 American Iron and Steel Institute, North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members 2016 AS1397:2011, Continuous Hot-dip Metalic Coated Steel Sheet and Strip - Coating of Zinc and Zinc Alloyed with Aluminium and Magnesium Standards Australia, 2011 10 B W Schafer, “Review: The Direct Strength Method of cold-formed steel member design,” Journal of Constructional Steel Research, vol 64, no 7–8, pp 766– 778, 2008 82 11 K J R Rasmussen and G J Hancock, “Design of cold-formed stainless steel tubular members II: Beams,” Journal of Structural Engineering, vol 119, no 8, pp 2368–2386, 1993 12 S Niu, “Interaction Buckling of Cold-Formed Stainless Steel Beams,” University of Sydney: Sydney, Australia, 2014 13 S Niu and K J R Rasmussen, “Experimental investigation of the local-global interaction buckling of stainless steel i-section beams,” Research Report - University of Sydney, Department of Civil Engineering, no 944, pp 1–81, 2013 14 S Niu, K J R Rasmussen, M Asce, and F Fan, “Local – Global Interaction Buckling of Stainless Steel I-Beams II : Numerical Study and Design,” no 1, pp 1– 13, 2014 15 L Wang and B Young, “Design of cold-formed steel channels with stiffened webs subjected to bending,” Thin-Walled Structures, vol 85, pp 81–92, 2014 16 C Yu and B W Schafer, “Local Buckling Tests on Cold-Formed Steel Beams,” Journal of Structural Engineering, vol 129, no 12, pp 1596–1606, 2003 17 O Oey and J Papangelis, “Nonlinear Analysis of Cold-formed Channels Bent about the Minor Axis,” in Proceedings of the Cold-formed Steel Research Consortium Colloquium, 2020, p 18 O Oey and J Papangelis, “Behaviour of cold-formed steel channels bent about the minor axis,” Thin-Walled Structures, vol 164, no November 2020, p 107781, 2021 19 N H Pham and Q A Vu, “Effects of stiffeners on the capacities of cold-formed steel channel members,” Steel Construction, vol 14, no 4, pp 270–278, 2021 20 N H Pham, “Áp dụng phương pháp Cường độ trực tiếp (DSM) tính tốn & khảo sát khả chịu nén, uốn cấu kiện thép tạo hình nguội theo Tiêu chuẩn AS/NZS 4600-2018,” Hà Nội, Việt Nam, 2020 83 21 N H Pham, “Đánh giá khả chịu lực tiết diện thép tạo hình nguội supacee,” vol 16, pp 92–105, 2022 22 M Saint-Venant, “Discussion in Theorie De L’elasticite Des Corp Solids,” 1883 23 G H Bryan, “On the Stability of a Plane Plate under Thrust in its Own Plane,” Proceedings of the London Mathematical Society, vol vi, pp 54–67, 1890 24 S P Timoshenko, “Einige Stabilitäts probleme Der Elastizitäts probleme,” Zeitschrift für Mathematik und Physik, p 337, 1910 25 E Z Stowell and E E Lundquist, “Local Instability of Columns with I-, Z-, Channel, and Rectangular-Tube Sections.,” National Advisory Committee for Aeronautics, Washington, D.C, U.S.A., no December, 1939 26 E E Lundquist and E Z Stowell, “Critical Compressive Stress for Outstanding Flanges.,” National Advisory Committee for Aeronautics, Washington, D.C, U.S.A., 1942 27 F Bleich, Buckling Strength of Metal Structures New York: McGraw-Hill., 1952 28 S P Timoshenko and M G James, Theory of Elastic Stability, 2nd editio New York: McGraw-Hill., 1961 29 L Schuman and G Back, “Strength of Rectangular Flat Plates under Edge Compression,” Annual Report NACA, No.356, 1930 30 T von Karman, “Festigkeitsprobleme Im Maschinenbau,” Encyk der Math Wiss, vol 4, p 349, 1910 31 T von Karman, E F Sechler, and L H Donnell, “Strength of Thin Plates in Compression,” American Society of Mechanical Engineers-Transactions-Applied Mechanics, vol 4, pp 53–56, 1932 32 G Winter, Strength Distribution in and Equivalent Width of Flanges of Wide NACA technical, 1940 84 33 G Winter, “Strength of Thin Steel Compression Flanges,” Transactions, vol 112, pp 527–554, 1947 34 G Winter, Commentary on the 1968 Edition of the Specification for the Design of Cold-formed Steel Structural Members New York, USA: American Iron and Steel Institute, 1970 35 T Pekoz, “Development of a Unified Approach to the Design of Cold-formed Steel Members,” in Eighth International Specialty Conference on Cold-formed Steel Structures: Recent Research and Developments in Cold-formed Steel Design and Construction, 1986, pp 77–84 36 P Thomasson, “Thin-Walled C-Shaped Panels in Axial Compression,” Swedish Council for Building Research: Stockholm, Sweden, 1978 37 G P Mulligan, “The influence of local buckling on the structural behavior of singly-symmetric cold-formed steel columns,” Cornell University: Ithaca, New York, 1983 38 G J Hancock, “Distortional Buckling of Steel Storage Rack Columns,” Journal of Structural Engineering, ASCE, vol 111, no 12, pp 2770–2783, 1985 39 G J Hancock, Y B Kwon, and E Stefan Bernard, “Strength design curves for thin-walled sections undergoing distortional buckling,” Journal of Constructional Steel Research, vol 31, no 2–3, pp 169–186, 1994 40 S C W Lau, “Distortional Buckling of Thin-Walled Columns,” University of Sydney: Sydney, Australia, 1988 41 Y B Kwon, “Post-Buckling Behaviour of Thin-Walled Channel Sections,” University of Sydney: Sydney, Australia, 1992 42 Y B Kwon and G J Hancock, “Tests of cold - formed channels with local and distortional buckling,” Journal of Structural Engineering, ASCE, vol 118, no 7, pp 1786–1803, 1992 85 43 S Sridharan, “A semi-analytical method for the post-local-torsional buckling analysis of prismatic plate structures,” Int Jour Num Meth in Engg, vol 18, no October 1981, pp 1685–1697, 1982 44 S C W Lau and G J Hancock, “Distortional Buckling Formulas for Channel Columns,” Journal of Structural Engineering, vol 113, no 5, pp 1063–1078, 1987 45 S C W Lau and G J Hancock, “Inelastic buckling of channel columns in the distortional mode,” Thin-Walled Structures, vol 10, no 1, pp 1063–1078, 1990 46 B W Schafer and T Peköz, “Direct Strength Prediction of Cold-Formed Members Using Numerical Elastic Buckling Solutions,” in Fourteenth International Specialty Conference on Cold-Formed Steel Structures, 1998 47 B W Schafer, “Local, Distortional, and Euler Buckling of Thin-Walled Columns,” Journal of Structural Engineering, vol 128, no 3, pp 289–299, 2002 48 L Gardner, “The Continuous Strength Method in Recent Developments in Structural Engineering, Mechanics and Computation,” in Proc of the 3rd International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation, 2007 49 L Gardner, “The Continuous Strength Method,” Structures & Buildings, vol 161, p 6, 2008 50 European Committee for Standardization, Eurocode 3: Design of Steel Structure, Part 1-3: General rules Supplementary for Cold-formed Members and Sheeting 2004 51 P Ngoc Hung, V Quoc Anh, and P Ngoc Hieu, “The application of the Continuous Strength Method (CSM) to calculate bending capacity of cold-formed steel sections,” Vietnam Journal of Construction, vol 5, pp 76–80, 2017 52 P Ngoc Hung, “The Continous Strength Method in Designing Cold-formed Steel Members,” Master desertation, Hanoi Architectural University, 2017 86 53 P Ngoc Hung, V Quoc Anh, and P Ngoc Hieu, “Determination of compression capacity of cold-formed steel sections by the Continuous Strength Method (CSM),” Vietnam Construction Review, vol 5, pp 91–95, 2017 54 Dassault Systemes Simulia Corp, ABAQUS/CAE User’s Manual Providence, RI, USA, 2014 55 V V Nguyen, G J Hancook, and C H Pham, “New development in the Direct Strength Method (DSM) for design of cold-formed steel sections under localised loading,” in Eurosteel Copenhagen, 2017 56 V V Nguyen, G J Hancock, and C H Pham, “Applications of the THINWALL-2 V2.0 program for analysis of thin-walled sections under localised loading,” in 4th Congres International de Geotechnique-Ouvrages-Structures, 2017 57 Y K Cheung, Finite strip method in structural analysis 1976 58 N H Pham, Investigation of Sectional Capacities of Cold-Formed Steel SupaCee Sections Springer Singapore, 2022 MẪU 3: TRƯỜNG ĐH KIẾN TRÚC HÀ NỘI KHOA SAU ĐẠI HỌC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Hà Nội, ngày 25 tháng 05 năm 2023 BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ tên học viên: Phạm Tuấn Hoàng Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 Tên đề tài luận văn: Nghiên cứu đánh giá khả chịu uốn theo trục yếu thép chữ C tạo hình nguội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Vũ Quốc Anh TS Phạm Ngọc Hiếu Học viên, Người hướng dẫn khoa học, thư ký Chủ tịch Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên Hội đồng ngày 17 tháng 05 năm 2023 với nội dung sau: - Đã bổ sung trích dẫn cơng thức bảng biểu chương 2; - Đã chỉnh sửa số lỗi chế bản; - Áp dụng cấu kiện chữ C uốn theo trục yếu trình bày Mục 1.6; - Đã bổ sung số giải thích cơng thức ký hiệu THƯ KÝ HỘI ĐỒNG (Ký ghi rõ Họ tên) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG (Ký ghi rõ Họ tên)