Nghiên cứu ứng dụng kết cấu thép tiết diện rỗng trong xây dựng

LE LPL LRP PERE « £ LEE LOLE LE LP LEP EOLER LOLOL TEE LE MIELE NON PLE OLED LOY te i id ll ae ed LOE MELO IED LINN /° 0/99/70 0V/WV/TP OM TOE BO GIAO DUC VA DAO TAG TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG 000 YS es 29 AY HUỲNH MINH SƠN f a WW ⁄ THU VIEN TRUONG DAI HOC XAY DUNG : Ì $ ee - NGHIÊN CỨU ỨNG DUNG KEET CAU THEP TIET DIEN RONG TRONG XAY DUNG CHUYEN DE TIEN SY é TTTL-THU VIỆN 690.21 _HU-§ | Hà Nội, năm LPO LD PEEL FELIPE DL NOE LIER 2006 PELE LEP PL OL FELDER PE PCE LER LORIE At TOMB PE BEM A ILENE bor LEP LEER PS FLEA AISLE LOLI BR LO RLILP PLPOLEVD IO MV OAM MS PAD FEV LOLSS™IG LP? AOE ALEPE LE ITPL LEED PP LEAD PP LPIB POMPE LED AMESPED FIAT RB MO EET OO ETI EO POOF DD BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG -=0O MAO HUYNH MINH SƠN or ~ NOAA SS TASS SAQA a NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CÂU THÉP TIET DIEN RONG TRONG XAY DUNG A a £ a7? x / - xxx ` vs cate xxx» TS ` Nà ee ans oral SAN NRE oo “xẻ >> aneoe OP R th RA AR See ce NUNG NiSALON NGÔ m SỜma CAN See Keyey F SAS RIS SS SELES LES SS ` SARS ` SRY Haken ss gs a, Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mãsơ: 62.58.20.01 N NN NN PP perme we PoP tes Se a RW NNe€SXSNW ŸŸ fi “SREP TSSSigy SS AS §š§ §§ ” TE A SA Nễ SUAS Xà RSLS Re vFE Ni : o SN < tự NN SSP UR RS QS Sy Tek oo :` My AON, A ° e ` e ws ° NAY AURIS GIÀN ma NT NA a : » CN RSL ISVs aS oN hô NM Và Tả enna nae TENSE ESE oe ee: `; vê — ot we ` Nà ` CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: PGS.TS PHẠM VĂN HỘI XS XNIAA®, t2 CÁN BỘ HƯỚNG DÁN 2: PGS.TS LÊ NGỌC HỎNG Hey te —¬— ` ¬ é PP BE OIE EOD AE HOE I EP EPI OB GE OIE PL BOE LEME MIP PEE FE IO LEA PILE PWIA AE ALE BOOP AO A CPP GR GO ey tn we ¬——~-_—— >> Hà Nội, năm 2006 “a FOO MỤC ĐÍCH Ý NGHĨA: - Nêu đặc trưng tính chất tiết diện rỗng, qua có thê thấy rõ lợi ích việc sử dụng cầu kiện tiết diện rong, nham thúc ứng dụng phù hợp với tiềm mặt học, kinh tế thâm mỹ tiết diện thép hình rồng - Hệ thong lai van dé đặc biệt việc sử dụng cầu kiện tiết diện rong thiét ké, ché tao va lap rap - Nghiên cứu lam việc liên kết hàn chịu tải trọng tĩnh kết cầu dàn thép hình rỗng tiết điện trịn chữ nhật kết hợp với tiết diện hở loại I H Giải thích làm việc học liên kết tùy thuộc vào dạng hình học mơ hình tính tốn dé triển khai công thức kiểm tra cho dạng phá hoại xảy liên kết Luận án tác giả nghiền cứu ứng dụng cầu kiện tiết điện chữ I, cánh rỗng thép thành mỏng, tạo hình nguội đó, Chun đề tập trung nghiên cứu, hệ thông để liên quan đến cấu kiện tiết điện rỗng nhằm góp phân xây dựng sở lý thuyết, tính tốn phục vụ cho Luận án sau +x* A MO DAU DAT VAN DE: Ở Việt Nam năm gần đây, tien trình cơng nghiệp hố, đại hố đất nước, ngành xây dựng có bước phát triển nhanh chóng, mạnh mẽ việc nghiên cứu, thử nghiệm, ứng dụng chuyên giao công nghệ vào thực tế dạng kết cầu thép thép ưu việt như: Khung thép tiên chế, khung thép nhẹ theo công nghệ Mỹ, kết cầu thép thành mỏng theo công nghệ Úc hay kết cầu không gian có cầu trúc tinh thể Trong đó, việc nghiên cứu ứng dụng cấu kiện tiết diện rỗng đem lại ưu việt lợi ích đáng kể xây dựng cơng trình Từ lầu người ta biết sử dụng hình ơng cầu kiện nhờ quan sát thực tế: Sử dụng ông tre làm vật liệu xây dựng nhẹ đồng thời ống dẫn nước ăn nước tưới Điêu chứng tỏ hình trụ rỗng khơng dùng dé van chun chat long ma cịn có tính tốt độ bên chịu nén, chịu xoăn chịu uốn theo phương Thép hình rỗng khơng cạnh tranh với vật liệu xây dựng khác bêtơng gỗ mà thay hữu hiệu loại thép hình khác Việc sử dụng dạng tiết diện thép hình rong nghiên cứu áp dụng nhiêu dạng kết cầu như: Thanh thép ông kết cầu giàn lưới khơng gian; Thanh tiết diện trịn, chữ nhật kết hợp với tiết điện hở chữ I chữ H kết cầu dàn; tiết diện thép rỗng kết câu hỗn hợp hay tiết diện kết câu thép thành mỏng Xuất phát từ thực tế đó, chun đề hệ thơng đặc trưng, tính chất học vấn đề liên quan đến vật liệu, chế tạo, liên kết, thiết kế thi công cấu kiện tiết diện rỗng (CKTDR) xây dựng cơng trình nhăm góp phân thúc ứng dụng phù hợp với tiềm học, kinh tế thâm mỹ loại cầu kiện - 2, NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: Nội dung chuyên đề gồm phan chính: - Phần I: Tổng quan cấu kiện tiết diện rồng : Nghiên cứu khái niệm, ưu nhược điểm, tính chất học hình học tiết diện, phạm vi ứng dụng tình hình ứng dụng câu kiện tiết diện rồng Việt Nam Nghiên cứu vấn đề đặc biệt sử dụng tiết diện rỗng: Bảo vệ chống gi, ăn mòn; Sử dụng tiết diện rong bên trong: Kết cấu hỗn hợp; Phòng hoả; Kiến trúc, thâm mỹ môi trường Nghiên cứu công nghệ chế tạo & lắp dựng cầu kiện tiết diện rỗng - Phần II: Sự làm việc & sở tính tốn cấu kiện tiết điện rỗng Nghiên cứu làm việc chịu kéo; nén; uốn; xoăn; Hiện tượng mỏi Tính tốn theo phuơng pháp ứng suất cho phép (AISC/ASD- Mỹ) Tính tốn theo phương pháp trạng thái giới hạn ( BS 5950- Anh) - Phan III: Tính tốn Tính tốn liên kết hàn Tính tốn liên kết hàn Tính tốn liên kết hàn liên kết cầu kiện tiết điện rỗng rỗng, tiết diện tròn rỗng, tiết diện chữ nhật rỗng, tiết điện thép hình chữ I,H B NOI DUNG: PHAN I: TONG QUAN VE CAU KIEN TIET DIEN RONG I DAI CUONG CAU KIEN TIET DIEN RONG: I.1 Khai niém: Tiét dién rong (Hollow section) bao gém dạng tiết diện kin, hinh ơng (mặt cắt vành khăn); hình vuông, chữ nhật, tam giác, elip, lục giác, bát giác Pho bién nhat 1a cac tiét dién thép ống, hình vng, chữ nhật Ơng trịn gọi tiết điện trịn rong - circular hollow section (CH§) vi dụ: 200x10CHS đường kính ngồi bê dày (mm) Ơng chữ nhật gọi tiết diện chữ nhật rong -rectangular hollow section (RHS) vi dy 200x10x8 RHS la chiéu cao, bê rộng va chiéu day(mm).Co loai tiét dién: Thép can nong ( thong thuong) va tiét dién rong tao hình nguội (thép thành mỏng) \ x Z | 7” " _ 1.2 Uu nhược điêm: Hinh 1.1: h y = " y => 14 Tiết diện thép hình rỗng 1.2.1 Uu diém: - Nhờ tính chất đối xứng kép vật liệu xa trung trung hoa nên cầu kiện tiệt diện rỗng có mơmen qn tính, mơmen kháng n lớn, có nhiêu ưu việt mặt bên, không với uôn dọc, xoăn Các cầu kiện tiết diện rỗng có thê thay thê tốt cho câu kiện tiệt diện hở :_- Khi thiết kế, thay đơi độ bền cầu kiện mà khơng thay đổi chiều chiều rộng hay đường kính băng cách thay đối bê dây hay loại thép dùng bê tơng nhơi - Hình dạng đóng kín góc lượn trịn làm giảm chi phi chong gỉ chỗng ăn mịn Khơng gian bên cho phép kết hợp chức chịu lực với ứng dụng khác chống cháy, thơng gió, sưởi Việc sử dụng hợp lí tiết diện rỗng tạo điều kiện cho kết cầu gọn đẹp, dễ đáp ứng yêu công năng, kiến trúc thâm mỹ - Các tiết diện rỗng trịn thường nhẹ thống gid, phù hợp với kết cầu chịu tải trọng thủy động khí động; trường hợp khác nên sử dụng rong mat cắt vng hình chữ nhật đề lắp ráp Trong dầm kiểu dàn nhịp lớn, giải pháp dùng cảnh kép - Liên kết thường liên kết trực tiếp, hạn chế sử dụng mã gia cường nên không phức tạp thị công 1.2.2 Nhược điểm: - Kha nang chịu lực tiết diện rỗng có giới hạn, kết cầu thành mỏng có khả mat ồn định cục - Mặc dù giá đơn vị vật liệu rông cao hở việc khai thác ưu việt vốn có rỗng thiết kế đạt kết câu tiết kiệm Tuy nhién, thay thé mot hở bang rỗng kín cân xét đến tính chật đặc biệt rỗng để lựa chọn giải pháp phù hợp 1.3 Đặc trưng học & hình học tiết diện: Nghiên cứu tính chất học hình học thép hình rỗng cho phép xác định với loại tác động lực sử dụng chúng có lợi nhât L.3.I Tính chất học: - Đơi với thép hình rộng cán nóng: Theo tiêu chuẩn Châu Âu: Các loại thép sử dụng thép hình rỗng cho bảng trích từ Tiêu chuẩn EN10210, phần “Thép hình rỗng chê tạo theo phương pháp nóng— Các điêu kiện kỹ thuật” Bảng - Loại thép thép hình rỗng sản xuất nóng | AB HaÙ [CN nh | Độ dãn dài thiểu (%) Dọc 1ạz54545 Ngang S235 S275 235 275 340 - 470 370 - 540 26 24 24 22 S355 355 470 - 630 22 20 S460 460 550 - 720 17 15 Ký hiệu chung Sam: Trong S viết tắt structure (kết câu), nnn số biểu thị giới hạn chảy thép (N/mm') S235 thép cacbon thấp phố thông ; S275 thép cacbon thấp có cường độ cao lấy làm cấp thép Có thể so sánh tương đương tên thép hình rỗng theo tiêu chuẩn sau: EN BS 4360 TCVN GOST S235 or.40 CT38 CT3 S275 sr.43 CT42 CT4 S355 gr.50 14Mn2 14G2 — Thép hình nước có đặc trưng hình học khác dù kích cỡ nên khơng thé thay thé thép hình nước băng thép hình nước khac dù kích cỡ - Đối với thép hình chế tao ngudi: Vat liéu co ban la nhimg tắm tôn cán phăng (tôn bản) dùng để sản xuất thép hình rỗng băng tạo hình nguội Có thê xét đến tăng giới hạn đàn hôi cứng nguội tạo hình nguội sau: Giới hạn đàn trung bình fya duge xac dinh băng thực nghiệm lu tiết diện thực theo công thức: Fya = fyb + (K.n /A).( Trong đó: — fyb) (1) F ya Khơng vượt q Íf, 1,2 Íy fyb fy : Gidi han dan hôi kéo giới hạn phá hoại kéo vật liệu (N/mm?); t: Chiều dày tôn (mm); A: _ Diện tích nguyên mặt cắt ngang (mm); K: Hés6 phu thuéc vao kiéu tạo hình (k= tạo hình nguội thép hình rỗng) n: Số lần uốn gấp 90” thép hình có bán kính < 5t 1.3.2 Tính chất hình học: Dung sai chế tạo thường nhỏ so với thép hình hở Việc chọn tiết diện thép hình rỗng phụ thuộc đặc trưng hình học đại lượng định khả chịu lực tiết diện l4 Phạm nợ dụng: Cầu kiện tiết điện rỗng ứng dụng rộng rãi phô biến xây dựng như: l4.1 Cột, tháp thép: Tiết diện thép ống nhẹ thống gió, chống gỉ tốt , độ ỗn định theo phương nên phù hợp cho tiết diện cột, tháp có chiêu cao lớn Độ lớn mômen uốn đầu mút yêu tố định liên kết Trước hết, phải luôn xem xét giải pháp liên kết với đầu mút không gia cường giải pháp đơn giản Nếu giải pháp không phù hợp sử dụng sườn gia 1.4.2 Dàn phẳng: - Thường sử dụng theo sơ đồ dâm kiểu dàn có ưu điểm nhẹ, kinh tÊ dễ xác định kích thước Nó gơm có hai cánh xiên bo trí kiêu chữ V (dầm Warren) hay chữ N (dâm Pratt) Các cánh song song, dốc nghiêng cong - Dầm kiêu dàn đặc trưng bụng khoảng cách liên kết Chiêu đa cho phép, v.v Tăng chiều cao h giảm dài uỗn dọc bụng h = L/10- nhịp L, chiều cao h, dạng hình học cao h phụ thuộc vào nhịp, tải trọng, độ võng tối nội lực cánh làm tăng chiều L/16 Các liên kết nên đặt tải trọng tập trung - Kết cầu kiêu dàn thường truyền tải trọng thông qua nội lực dọc trục Trong dầm kiêu dàn tiết diện rỗng, xiên hàn vào cánh Khi thiết kế giả thiết liên kết phân phối lại mơmen phụ nhờ biến đạng dẻo việc tính tốn nội lực dựa mơ hình dàn với khớp Trái lại, phải xét đến mômen uốn lệch tâm, có mơmen phụ tác dụng lên liên kêt liên kết cách quãng đỏ lộch tâm không liên kết phủ phán, độ lệch tàm am liền kết cách quảng, độ lệch tam dương D liên kếl phủ 100%, độ lệch tảm am Hình 1.2: Lệch tâm, cách quãng phủ trùm liên kết thép hình rỗng Trường hợp dâm thang (gọi dâm Vierendeel), liên kết tính tốn dựa độ bên chịu uốn liên kết cứng với AS bị § *° Be — bọ es C d — area es a= Mare ' Rtace dự Be { \ t Zz 1S (4 ——— | Hình 3.21: ` Các kiêu phá hoại liên kết hàn rồng với thép hình [ hay H oA 7, e ? K ` x vy @ ` b) Phá hoại hóa dẻo hay mat on dinh bụng (hanh cảnh , e oe ? Ẩ A e ỶẺ , ©) Phá hoại cắt cánh e) Phá hoại chân bụng không đủ bê dày hiệu liên kết hàn f)_ 4.3.1 Mo Phá hoại vênh cục hinh chiéu rong hiéu qua cua xién - Trong liên kết hàn thép hình rỗng thép hở, phân bố biến dạng chân thép rỗng không có mặt bụng thép hình hở khác độ cứng hai bên phân cánh (hình 3.22) Khi tải trọng tăng, tượng cảng rõ nét dẫn tới phá hoại sớm: đứt liên kết xiên chịu kéo cảnh cánh (hình 3.21,e) băng vênh cục đầu mút xiên chịu nén (hình 3.21, Để bao trùm hai nguy phá hoại này, ta sử dụng thuật ngữ chung “vết nứt ngang” Phân lớn tác giả nghiên cứu vết nứt ngang đưa khái niệm chiêu rộng hiệu quả, khái niệm sử dụng liên kết cánh rỗng hình chữ nhật Khái niệm dại diện cho phân chu vi rỗng, có khả truyền nội lực giai đoạn 56 pha hoai (hinh 3.22) Do bên cực hạn xiên liên két T, Y, X, K va N voi cach quãng viết qua biêu thức sau: N¡nu = 2Íyi-ti.Ðery (70) Trong do: bey, băng nửa chiêu dài phân hiệu chu vi chéo làm băng thép hình rỗng Depp = tw hho art T £ yi `7 (71) Hình 3.22: Phân bố khơng ứng suất biến dạng chân xiên tiết điện rỗng vng Hình 3.23: Khai niem chu vị hiệu ` Fe oA A e eA ? Đối với liên kết kiểu K N có phủ, van dé chỗ tìm kiểu phá hoại chiêm ưu thế, việc tính NiRd phức tạp phải xét đến giá trị phủ tương đối độ bên Pe {EY 4.3.2 M6 hinh cat cảnh - Nguy co hoa dẻo cánh chịu cắt lực cắt kiêu phá hoại thường gặp liên kết kiều K, N có cách qng (hình 3.24) ĐĨ le 1a — Hình 3.24: Sự cắt cánh chỗ cách quãng liên kết hình chữ K - Sức bên chống cắt cánh tính cách sử dụng cách tính tốn dẻo tiết điện theo cơng thức: Va Trong do: — Ivo ý A, (72) 57 Ay la tiét điện chịu cắt cánh Tiết diện hiển nhiên bao gồm bụng thép hình, thêm phân bán cánh, thực nghiệm : A, = A, — (2 — @)b,.t; + (ty + 2r)t; — VỚI (73) ¬0,5 Œ= Trong đó: ơœ biểu thị ảnh hưởng cách quãng diện tích tiết diện chịu cắt rỗng hình chữ nhật đơi với rỗng trịn = - Phải xét ảnh hưởng lực cắt độ bên trục cánh : V — Sd—>0,5 (74) pl.Rd Voi Vsy= (NiSd.sin@, )max va Vpira theo (72) chia cho hệ số an toàn bo phan Trong truong hop Nop oRd —=| 4,-4, 2F —] Íụo pỉ.Rd y,,, (75) ⁄ Mo - Đôi với liên kêt kiêu K N có phủ có xét đền tiệt diện phủ biêu thức tiết điện toàn phân chịu cặt, thí nghiệm chứng tỏ có phủ, phá hoại cắt cánh có xác suât nhỏ phá hoại nứt ngang nói 4.3.3 Nó hình hóa dẻo cục bung canh ‘ / tae Mh te Wim tf ital ¢r ti + Heyer) Bem wre eee es CS S we we ‘ 58 Hình 3.25: Hóa dẻo cục bụng cánh - Công thức để kiểm tra nguy phá hoại hóa dẻo bụng cánh chịu kéo nén cục (hình 3.25) suy trực tiếp từ công thức dùng kiêm tra nén cục liên kết 'đầm - cột” băng thép hình chữ I H Như lực giới hạn vng ĐĨC VỚI cánh chéo : Fro ty Oy Nira= voiby, = oh w “sind cing (76) + S(ty + r) nhung by < 2t; + 10(t, + r) - Đối với liên kết K, N có phủ, biểu thức nội lực giới hạn sửa đổi để xét đên nội lực truyền trực tiêp từ rồng tới khác thông qua tiết diện phủ, không truyền tới bụng cánh Tuy hóa dẻo cánh, trường hợp hình vẽ, khả so với phá hoại nút ngang xiên 4.3.4 Mohinh mat én dinh cua bung canh Một điều kiện giới hạn độ mảnh bụng, quy định phạm vị hiệu lực [2] kiểm tra liên kết rỗng hàn thép hình I H, ngăn ngừa phá hoại Hơn điều kiện giới hạn nói chung thỏa mãn, thực té, với thép hình thường gap (HEA, HEB, ) Tuy vay neu điều kiện không thỏa mãn, ta phải kiểm tra bên với vềnh bung giả thiết chịu lực cục chéo bị nén truyền (ỚI 4.4 Kiểm tra thực nghiệm - Như liên kết ông khác, phân lớn thí nghiệm thực liên kết lập Tuy nhiên, vài thí nghiệm thực dâm hoàn chỉnh Các mẫu thực nghiệm cánh HEA, HEB HEM với chiêu cao từ |40 — 200 mm Các thực nghiệm hầu hết cho phép nghiên cứu nhân tô không nghiên cứu băng lý thuyết chiều rộng hiệu quả, ảnh hưởng độ phủ hay cách quãng Chúng thực với mức độ tăng dân khó khăn thực nghiệm: lúc đâu nghiên cứu kiểu X T, kiểu K N có cách quãng có phủ trùm 4.5 Các liên kết: 4.5.1 Liên kết phẳng Chiu luc truc: - Các công thức kiểm tra liên kết kiểu T, Y, X, K N công thức bán - thực nghiệm lập qua thống kê, sở kết thí nghiệm ứng với mơ hình phần tích đơn giản hóa liệt kê mục 5.3 Vi trước kiểm tra, phải chăn liên kết xét năm giới hạn phạm vi thí nghiệm 4.5.2 Liên kết phẳng chiu uon: - Những kết thực nghiệm với kiểu liên kết giới hạn xiên rộng hình chữ nhật hàn thép hình chữ I H chịu mômen uốn mặt phẳng bụng cánh Sự kiểm tra độ bên liên kết thực tương tự với liên kết chịu lực trục (xem [2]) 59 - Tông hợp lực dọc trục mômen uôn phải thỏa mãn điêu kiện sau: N„ isd Nira Moisisd