tính toán cấu kiện thép chịu nén lệch tâm theo tiêu chuẩn mỹ aisc so sánh với tcxdvn 338 2005

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG THÂN TRỌNG PHÚC TÍNH TOÁN CẤU KIỆN THÉP CHỊU NÉN LỆCH TÂM THEO TIÊU CHUẨN MỸ AISC, SO SÁNH VỚI TCXDVN 338:2005 Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số : 60.58.20 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Quang Viên Phản biện 1: GS. TS. Phạm Văn Hội Phản biện 2: TS. Nguyễn Quang Hưng Luận văn đã được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 28 tháng 9 năm 2013. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong công cuộc cải cách xây dựng, công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, kết cấu thép đóng vai trò hết sức quan trọng. Việc áp dụng các biện pháp khoa học kỹ thuật tiên tiến nhằm hội nhập, hoàn thiện dần phương pháp tính toán, hợp lý tiết diện cấu kiện kết cấu là bước khởi điểm để tiến tới đạt được hiệu quả kinh tế trong xây dựng công trình. Cột là cấu kiện chịu lực chủ đạo của khung; cột nhận tải trọng từ các sàn, các xà ngang…rồi truyền xuống móng. Cột trong khung, chủ yếu là chịu nén lệch tâm theo cả hai phương chính; ở mỗi phương mômen có thể khác nhau, với chiều dài tính toán cũng khác nhau. Đây là vấn đề phức tạp, có những cách tính toán khác nhau được quy định trong các quy phạm, tiêu chuẩn thiết kế. Đặc điểm chịu lực, ứng xử của cột trong khung là công việc phức tạp và bị ảnh hưởng bởi công năng công trình, tính khả thi, nguồn cung ứng vật tư, tính thẩm mỹ, tính kinh tế 2. Mục tiêu nghiên cứu Trong xu thế hiện nay kết cấu thép được đưa vào để xây dựng nhà cao tầng. Vì thế cột trong khung nhà cao tầng không chỉ làm việc theo các phương chính mà có khả năng làm việc theo lệch tâm xiên. Mặc khác trong các giáo trình, tài liệu hiện nay chưa được đề cập nhiều về cột chịu nén lệch tâm xiên. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài này tập trung nghiên cứu “TÍNH TOÁN CẤU KIỆN THÉP CHỊU NÉN LỆCH TÂM THEO TIÊU CHUẨN MỸ AISC SO SÁNH VỚI TCXDVN 338 :2005”. 4. Phương pháp nghiên cứu Bằng phương pháp tìm hiểu lý thuyết tính toán và thực hành tính 2 toán với các ví dụ cụ thể, từ các số liệu đó phân tích, đánh giá và so sánh để đưa ra nhận định về sự cần thiết áp dụng trong những trường hợp nào thì hợp lý và áp dụng như thế nào để đảm bảo chịu lực, mỹ quan công trình; đạt hiệu quả kinh tế và thi công thuận lợi. Luận văn này giới thiệu một cách nhìn tổng quan, nhằm giúp người thiết kế nhìn nhận chi tiết hơn về đặc điểm chịu lực, ứng xử của cấu kiện chịu nén lệch tâm. 5. Bố cục đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận. Luận văn gồm 3 chương: Chương 1: CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP Chương 2: TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU NÉN Chương 3: MỘT SỐ VÍ DỤ TÍNH TOÁN CHƯƠNG 1 CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 1.1. NGUYÊN TẮC CHUNG DÙNG TRONG THIẾT KẾ 1.1.1. Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo Tiêu chuẩn Mỹ AISC a. Giới thiệu chung về quy phạm Mỹ AISC 360-2005 b. Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo Tiêu chuẩn Mỹ AISC Quy phạm AISC-2005 bao gồm hai phương pháp thiết kế: Thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD) và Thiết kế theo độ bền cho phép (ASD). cả hai phương pháp này thực chất là thiết kế theo trạng thái giới hạn. (1). Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD) - Hệ số tải trọng là hệ số kể đến sự sai lệch của tải trọng thực tế so với tải trọng danh nghĩa, kể đến sự không chắc chắn về cách phân tích kết cấu cũng như xét đến xác suất có thể xảy ra đồng thời nhiều tải 3 trọng cùng đạt giá trị cực đại. Sức kháng là khả năng của kết cấu chống lại các ảnh hưởng của tải trọng. fR n ≥R u (1.1) - Hệ số sức kháng f Hệ số này xét đến sự biến động của sức kháng R có quan hệ đến sự biến động của ảnh hưởng của tải trọng Q. 22 QR VV += s (1.2) (2). Phương pháp thiết kế theo độ bền cho phép (sau đây gọi tắt là ASD) W n a R R£ (1.6) - Hệ số an toàn W 65,1 4,01 4,01 = - + = W (1.8) 1.1.2. Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo TCXDVN 338:2005 a. Giới thiệu chung về TCXDVN 338: 2005 b. Các nguyên tắc cơ bản thiết kế theo TCXDVN 338:2005 * Trạng thái giới hạn theo TCXDVN 338:2005 Trạng thái giới hạn là trạng thái mà khi vượt quá thì kết cấu không còn thoả mãn các yêu cầu sử dụng hoặc dựng lắp. Các trạng thái giới hạn gồm: Trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực và Trạng thái giới hạn về sử dụng * Hệ số tin cậy theo TCXDVN 338:2005 Khi tính toán kết cấu sử dụng các hệ số tin cậy như sau: - Hệ số độ tin cậy về cường độ vật liệu g M , Hệ số độ tin cậy về tải trọng g Q , Hệ số điều kiện làm việc của kết cấu (ĐKLV) g C . 4 1.1.3. Nhận xét chung về các phương pháp thiết kế của 2 Tiêu chuẩn a. Về phương pháp thiết kế TCXDVN 338:2005 quy định thiết kế kết cấu thép theo trạng thái giới hạn, và chia các trạng thái giới hạn ra thành hai nhóm: nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất và nhóm trạng thái giới hạn thứ hai. Điểm rất đặc biệt của Quy định AISC so với tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam là đã phân chia ra các loại cấu kiện có tiết diện dẻo, đặc chắc, không đặc chắc và tiết diện mảnh. b. Về hệ số an toàn Tiêu chuẩn TCXDVN 338:2005 sử dụng hệ số độ tin cậy về tải trọng và hệ số an toàn về vật liệu. Còn Tiêu chuẩn Mỹ AISC/ASD sử dụng một hệ số an toàn chung duy nhất FS (factor of safety ). Ứng suất cho phép lấy bằng ứng suất giới hạn (như giới hạn chảy F y hoặc ứng suất giới hạn F cr ). 1.2. TẢI TRỌNG SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ 1.2.1. Tải trọng thiết kế theo Tiêu chuẩn Mỹ AISC - Một số tổ hợp thông dụng (1)1.4D; (2) 1,2D + 1.6L + 0,5(L r hoặc S);(3) 1,2D + l,6(L r hoặc S) + (L hoặc 0,8W);(4)1,2D + 1,6W + L + 0,5(L r hoặc S);(5) 1,2D + E + L + 0,2S;(6) 0,9D + 1,6W;(7) 0,9D + E Trong đó: D - tải trọng tĩnh;L - hoạt tải sử dụng; L r - hoạt tải trên mái; W - tải trọng gió; E - tải trọng động đất. L, L r , W, E là các tải trọng danh nghĩa, giá trị của chúng được cho trong ASCE 7 hoặc các tiêu chuẩn xây dựng địa phương. 1.2.2. Tải trọng thiết kế theo TCXDVN 338:2005 Các tổ hợp tải trọng tính toán được biểu diễn bằng công thức sau: CBI : n g G + n pi P i và CBII : n g G + 0,9 Sn pi P i (1.11) 5 Trong đó: G - tĩnh tải;n g - hệ số vượt tải;P i - Hoạt tải thứ i với n pi - hệ số vượt tải tương ứng với hoạt tải P i 1.2.3. Nhận xét về việc sử dụng tải trọng theo AISC/ASD so với TCVN 338:2005 Tải trọng gió như đã nêu ở trên có cách tính khác nhiều so với TCVN ở các hệ số khí động, hệ số địa hình, hệ số độ cao, hệ số tầm quan trọng của công trình, đặc biệt là không có cách tính về động lực. 1.3. VẬT LIỆU THÉP SỬ DỤNG THEO CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 1.3.1. Vật liệu thép theo Tiêu chuẩn Mỹ AISC Quy phạm liệt kê gần 20 loại thép của tiêu chuẩn ASTM (American Sociaty for Testing and Materials) được sử dụng trong kết cấu nhà. Có thể phân các loại thép này vào 4 nhóm sau : Thép cacbon; thép hợp kim thấp cường độ cao; thép hợp kim và hợp kim thấp được nhiệt luyện; thép dùng cho cầu. 1.3.2. Vật liệu thép theo TCXDVN 338:2005 Căn cứ theo công dụng, thép được chia làm 3 nhóm: Nhóm A, B,C. Dùng cường độ tiêu chuẩn = f y , Cường độ tính toán f = f y / g M 1.3.3. Nhận xét chung về sử dụng vật liệu trong các tiêu chuẩn Cường độ tính toán của vật liệu thép theo TCXDVN 338:2005 được xác định bằng chính giới hạn chảy của thép chia cho hệ số an toàn vật liệu. Mặt khác tiêu chuẩn Việt Nam cho phép dùng các loại thép của nước ngoài và được phép sử dụng cường độ tính toán f=f y /g M . Thép kết cấu theo AISC chấp nhận sử dụng đa dạng gồm 16 loại. Hầu hết các tiêu chuẩn về vật liệu thép kết cấu các nước đều có thép cán nóng chữ I cánh rộng, tiết diện chữ H là các loại rất phổ biến trên thị trường, TCXDVN thì không có. 6 CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU NÉN 2.1. TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU NÉN LỆCH TÂM VÀ NÉN UỐN THEO TIÊU CHUẨN MỸ AISC 2.1.1. Những quan niệm tính toán cơ bản nhất. a. Tính toán độ bền yêu cầu của kết cấu b. Cách đơn giản phân tích bậc 2 c. Cách phân tích bậc 1 2.1.2. Độ mảnh và chiều dài tính toán a. Xác định các giới hạn độ mảnh p l và r l Tiết diện được phân làm các lớp: đặc chắc, không đặc chắc và mảnh. Bảng 2 .1 cho các giá trị l p , l r của hai loại tiết diện phổ biển nhất là chữ I và hộp của dầm và cột. b. Hệ số chiều dài tính toán K của cấu kiện chịu nén Bảng 2.2 - Hệ số chiều dài tính toán K;Bảng II.3-Hệ số điều chỉnh k 1 2.1.3. Khả năng chịu nén với độ cong do uốn dọc của cột chịu nén a. Lực tới hạn Euler Cấu kiện sẽ mất ổn định do uốn dọc khi lực nén đạt giá trị lực giới hạn, xác định theo công thức Euler quen thuộc: )KL( EI N e 2 p = (2.11) b. Công thức của SSRC c. Ứng suất tới hạn oằn uốn dọc d.Công thức tính toán của AISC Độ bền danh nghĩa của cấu kiện chịu nén P n tính bằng 7 P n = F cr A g (2.20) Với F cr là ứng suất uốn dọc. Từ độ bền danh nghĩa P n tính ra độ bền thiết kế (theo phương pháp LRFD) nc P f với 90, c = f và độ bền cho phép (phương pháp ASD) c n P W với c W = 1,67. Ứng suất oằn uốn dọc F cr tính như sau: - Khi y F E , r KL 714£ tức là khi ye F,F 440³ mất ổn định ngoài giới hạn đàn hồi thì: y F F cr F,F e y ú ú û ù ê ê ë é = 6580 (2.21) - Khi y F E , r KL 714> tức là khi ye F,F 440< mất ổn định trong giới hạn đàn hồi thì : F cr = 0,877F e (2.22) 2.1.4. Khả năng chịu nén với độ cong do oằn vặn bên của cột chịu nén a. Các giới hạn của độ mảnh cánh và bụng cấu kiện Giới hạn của độ mảnh cánh và bụng cấu kiện nén tiết diện chữ I được quy định như sau : (Hình 2. 2) Hình 2.2. Tiết diện chữ I của thép cán và thép tổ hợp - Cánh là phần tử mảnh khi tỷ lệ b/t (b là bề rộng phần vươn ra của cánh, có thể lấp phần đúng bằng nữa bề rộng cánh b f /2) vượt quá 8 các giới hạn. y F/E, t b 550> đối với thép cán nóng yc F/Ek64,0 t b > đối với cấu kiện tổ hợp Trong đó k c = w t/h 4 và trong tính toán lấy không lớn hơn 0,76 và không nhỏ hơn 0,35. - Bụng là mảnh khi y w F/E49,1 t h > Với các tiết diện khác, có thể tra bảng II.4 Khi cấu kiện phần tử mảnh, ứng suất lớn nhất không thể đạt F y mà chỉ đạt giá trị nhỏ hơn là QF y , (Q là hệ số giảm khả năng chịu lực của cấu kiện có phần tử mảnh). - Khi y QF E 71,4 r KL £ hay ye QF44,0F ³ y F QF cr F658,0.QF e y ú ú ú ú û ù ê ê ê ê ë é = (2.24) - Khi y QF E 71,4 r KL > hay ye QF44,0F < F cr = 0,877F e (2.25) b. Hệ số Q Hệ số giảm Q được viết thành tích của hai hệ số giảm Q s và Q a Q = Q s .Q a (2.26) Q s - hệ số giảm khi cánh mảnh; Q a - hệ số giảm khi bụng mảnh Phần tử nào không mảnh thì hệ số giảm của nó bằng 1. a) Trường hợp cánh là mảnh (b/t > y F/E56,0 ) [...]... xiờn TCXDVN3 38 :2005 ổ N ỗ ỗ j exy A ố ổ N ỗ Lch tõm theo phng x ỗ cj y A ố H s ng sut Tiờu chun M AISC ử fg c ữ Ê 1 ữ ứ Pr 8 ổ M rx M ry ử ữÊ1 + ỗ + Pc 9 ỗ M cx M cy ữ ố ứ ử fg c ữ Ê 1 ữ ứ Pr ổ M rx M ry +ỗ + 2 Pc ỗ M cx M cy ố 0,96 < 1 ử ữÊ1 ữ ứ 0,947 < 1 3.1.3 Nhn xột - i vi tit din nh vớ d 3.1 cho kt qu tớnh toỏn tit din tớnh theo TCXDVN 338: 2005 v tiờu chun M AISC/ LRFD u t yờu cu thit k Vi TCXDVN 338: 2005. .. Wn,min, cỏc thộp hỡnh ch cú giỏ tr W n hi tớnh toỏn theo do khi c cho phộp do tho món mt s iu kin, thỡ TCXDVN 338: 2005 cho giỏ tr s C nhõn vi W n hi v nhn c W do (h s c1, cx, cy ly bng C.1- ph lc C ca TCXDVN 338: 2005) - i vi tit din mnh (tớnh n nh cc b) thỡ cỏc tiờu chun M AISC/ LRFD; u s dng din tớch hiu dng v tớnh gim ng sut kim tra; Vi TCXDVN 338: 2005 thỡ ch trong mt s trng hp c gim din tớch tớnh... gii hn ca cu kin chu nộn thụng thng theo M l 180 ln hn ca Vit Nam ch l 120 õy l mt u th ca tiờu chun AISC/ ASD (M) so vi TCXDVN 338: 2005 b Tớnh toỏn cu kin nộn - Cụng thc c bn M AISC/ LRFD tớnh toỏn cu kin chu nộn ó s dng i lng Z l mụun chng un do, v S l mụun chng un n hi Vỡ vy cỏc tit din thộp hỡnh cng ó lp sn cỏc giỏ tr mụun chng un ny Cũn vi tiờu chun TCXDVN 338: 2005 ch s dng mụun chng un n hi Wn,min,... S Dng Lch tõm xiờn TCXDVN3 38 :2005 ổ N ỗ ỗ j exy A ố ổ N ỗ Lch tõm theo phng x ỗ cj y A ố H s ng sut Tiờu chun M AISC ử fg c ữ Ê 1 ữ ứ Pr 8 ổ M rx M ry ử ữÊ1 + ỗ + Pc 9 ỗ M cx M cy ữ ố ứ ử fg c ữ Ê 1 ữ ứ Pr ổ M rx M ry +ỗ + 2 Pc ỗ M cx M cy ố 0,900 < 1 ử ữÊ1 ữ ứ 0,949 < 1 3.2.3 Nhn xột - i vi tit din nh vớ d 3.2 cho kt qu tớnh toỏn tit din tớnh theo tiờu chun TCXDVN 338: 2005 v M AISC/ LRFD u t yờu cu... thộp ca cỏc nc tiờn tin hin nay AISC/ LRFD cng nh tiờu chun TCXDVN 338: 2005 u l nhng tiờu chun cú kốm theo mt h thng tiờu chun ng b, tng ng Chớnh vỡ vy, ngi thit k khi dựng cỏc tiờu chun ny thit k kt cu thỡ bt buc phi tin hnh vic xỏc nh ti trng tớnh toỏn, t hp ti trng, s dng vt liu, phng phỏp tớnh theo h thng tiờu chun tng ng ú 2 V ti trng thit k Tiờu chun TCXDVN 338: 2005 khi xỏc nh ti trng giú cha... dng tit din i vi n nh ca ct theo phng vuụng gúc mt phng un xỏc nh nh sau: - Khi lch tõm tng i mx Ê 5: c= b 1 + a mx (2.57) Trong ú cỏc h s a mx, b c ly theo bng (2.7) - Khi mx 10: c= 1 1 + mxj y / jb (2.58) Trong ú: jb h s ly theo ph lc E TCXDVN 338: 2005 - Khi 5 < mx < 10: c = c5 (2 0,2 mx) + c10 (0,2 mx 1) Trong ú: c5 tớnh theo cụng thc (2.57) khi mx= 5; c10 tớnh theo cụng thc (2.58) khi mx=... s dng mụun do nờn cú s chờnh lch ln v kt qu kim tra, chng t v quy trỡnh thit k ct thộp theo cỏc tiờu chun M an ton hn theo tiờu chun Vit Nam Tuy nhiờn nu xem xột tng th c vn ti trng v t hp ti trng thỡ iu ú cha chc ỳng 19 NHN XẫT V KT LUN I Nhn xột 1 V phng phỏp thit k Cỏc tiờu chun TCXDVN 338: 2005, M AISC/ ASD, AISC/ LRFD, u s dng trng thỏi ti hn vi cỏc h s tin cy v ti trng v h s an ton v vt liu õy... 3)m2; cũn Vit Nam khụng cú 3 V vt liu thit k Cng tớnh toỏn ca vt liu thộp theo TCXDVN 338: 2005 xỏc nh bng gii hn chy ca thộp chia cho h s an ton vt liu Tiờu chun Vit Nam cho phộp i vi cỏc loi thộp khụng nờu tờn trong tiờu chun Vit Nam v cỏc loi thộp ca nc ngoi c phộp s dng cng tớnh toỏn Ư = Ưy / gM ( vi g = 1,1) Thộp kt cu theo AISC chp nhn s dng rt a dng gm 16 loi Hu ht cỏc tiờu chun v vt liu thộp... xõy dng ti Vit Nam, do c thự cho phộp mnh cu kin bộ v cỏc cụng trỡnh cú chiu di ln hn nhiu so vi chiu rng nờn vn on bờn kốm xon cha c th hin chi tit - Theo qui nh ca TCXDVN 338: 2005, vic kim tra n nh tng th ca cu kin chu nộn c kim tra k sau khi ó tớnh toỏn v cng Mi bng biu cn cho vic kim tra u cú ph lc kốm theo nờn ngi thit k d thc hin V ng nhiờn, mi cu kin chu nộn m khụng c kim ch ngang ton b u... chu un theo phng trc chớnh 1 Mụmen un ca cỏnh nộn: M n = R pc M yc = R pc Fy S xc (2.45) 2 S on bờn kốm xon: - Khi Lb Ê Lp: Trng thỏi gii hn ca on bờn kốm xon khụng ỏp dng - Khi Lp < Lb Ê Lr: ộ L - Lp ự M n = Cb ờ R pc M yc - ( R pc M yc - FL S xc ) b ỳ Ê R pc M yc Lr - Lp ỳ ờ ở ỷ (2.46) - Khi Lb > Lr: M n = Fcr S xc Ê R pc M yc (2.47) 2.2 TNH TON CU KIN CHU NẫN LCH TM V NẫN UN THEO TCXDVN 338: 2005 2.2.1 . cứu “TÍNH TOÁN CẤU KIỆN THÉP CHỊU NÉN LỆCH TÂM THEO TIÊU CHUẨN MỸ AISC SO SÁNH VỚI TCXDVN 338 :2005 . 4. Phương pháp nghiên cứu Bằng phương pháp tìm hiểu lý thuyết tính toán và thực hành tính. TOÁN CẤU KIỆN CHỊU NÉN 2.1. TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU NÉN LỆCH TÂM VÀ NÉN UỐN THEO TIÊU CHUẨN MỸ AISC 2.1.1. Những quan niệm tính toán cơ bản nhất. a. Tính toán độ bền yêu cầu của kết cấu. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG THÂN TRỌNG PHÚC TÍNH TOÁN CẤU KIỆN THÉP CHỊU NÉN LỆCH TÂM THEO TIÊU CHUẨN MỸ AISC, SO SÁNH VỚI TCXDVN 338: 2005 Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân