Luận văn thạc sĩ xây dựng Tính toán thiết kế khung thép tiền chế một tầng một nhịp theo tiêu chuẩn BS 5950 1:2000

Tuy nhiên, đối với những kỹ s thiết kế Việt Nam thì việc tính toán, thiết kếnhà thép tiền chế vẫn còn rất mới mẻ và gặp nhiều khó khăn do trong tiêu chuẩnViệt Nam cha có một hớng dẫn cụ

Lời nói đầu

Kết cấu thép ngày càng đợc ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới Nó cómột vị trí rất quan trọng trong ngành xây dựng nhờ những u thế nổi trội so vớicác kết cấu gạch, đá, gỗ hay bêtông cốt thép nh khả năng chịu lực lớn, độ tin cậycao, trọng lợng nhẹ, tính công nghiệp hóa cao, Kết cấu thép hầu nh có u thếtuyệt đối trong các loại hình công trình: tháp trụ, khung dàn không gian nhịp lớn,các loại bể chứa dầu chứa khí, nồi cao áp,

Khoa học kỹ thuật và công nghệ ngày càng phát triển, kết cấu thép cũng

đã có những bớc tiến mạnh mẽ Nhà thép tiền chế - phổ biến là loại hình khung

đặc mảnh nhịp lớn - có thể coi là một trong những công trình áp dụng công nghệxây dựng mới Mặc dù “sinh sau đẻ muộn” nhng nhà thép tiền chế đã nhanhchóng phát triển và đợc áp dụng rông rãi ở rất nhiều nơi trên thế giới

Mới đợc du nhập vào Việt Nam khoảng 15 năm trở lại đây nhng thuậtngữ “nhà thép tiền chế” đã trở nên quen thuộc với những ngời làm xây dựng nớc

ta Tuy nhiên, đối với những kỹ s thiết kế Việt Nam thì việc tính toán, thiết kếnhà thép tiền chế vẫn còn rất mới mẻ và gặp nhiều khó khăn do trong tiêu chuẩnViệt Nam cha có một hớng dẫn cụ thể, chi tiết cho việc tính toán, thiết kế cáccấu kiện có tiết diện thay đổi (cấu kiện vát) Trong tiêu chuẩn Anh BS5950-1:

2000 đã giải quyết đợc toàn bộ những khó khăn này Vì vậy, việc nghiên cứu tìmhiểu và thiết lập quy trình thiết kế nhà thép tiền chế ở Việt Nam theo các tiêuchuẩn nớc ngoài (cụ thể là tiêu chuẩn BS5950-1: 2000) là thực sự cần thiết

Do điều kiện có hạn, trong khuôn khổ của luận văn này, học viên chỉ đisâu vào vấn đề “Tính toán thiết kế khung thép tiền chế một tầng một nhịp

theo tiêu chuẩn BS 5950-1:2000” hy vọng làm sáng tỏ quy trình tính toán và

giúp ngời kỹ s có thêm những t liệu khi lựa chọn vấn đề này

Đề tài gồm 6 chơng:

Chơng 1 : Giới thiệu về tiêu chuẩn BS 5950-1:2000 và các vấn đề chung khi

thiết kế

Chơng 2 : Nêu tổng quan, các bộ phận của nhà thép tiền chế, cách bố trí và đặc

điểm làm việc của từng bộ phận đó

Chơng 3: Tính toán khung ngang bằng thép tiền chế một tầng một nhịp, xác

định tải trọng và tính nội lực của khung

Chơng 4: Thiết kế khung ngang bằng thép tiền chế một tầng một nhịp theo tiêu

chuẩn BS 5950, thiết kế và kiểm tra các cấu kiện cột, dầm, các mối nối

Chơng 5: Tính toán, thiết kế các cấu kiện phụ (xà gồ, dầm tờng, giằng mái) Chơng 6: Xây dựng sơ đồ khối và chơng trình tự động tính toán thiết kế cột vát,

dầm vát theo tiêu chuẩn BS 5950 Đa ra ví dụ minh hoạ, làm sáng tỏ cho các quytrình tính toán nêu trong chơng 3, chơng 4

Trớc đây, ở nớc ta, khi thiết kết khung thép vợt nhịp lớn, phơng pháptruyền thống là dùng các dàn, tổ hợp từ thép góc Phơng pháp này tuy hợp lý vềchịu lực, tiết kiệm vật liệu, nhng lại chiếm chiều cao khá lớn, khó vận chuyển vàtốn công chế tạo Dầm bụng đặc của khung tiền chế đã khắc phục đợc những nh-

ợc điểm này Nó vẫn có thể vợt nhịp lớn trong khi chiều cao nhỏ hơn dàn rấtnhiều (tới hơn 2 lần)

Một trong những dạng khung tiền chế quen thuộc ở nớc ta là kết cấukhung dầm đặc tiết diện chữ I tổ hợp trong đó cột và dầm có hình vát, tức là bềcao tiết diện đợc thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dài cấu kiện, chỗ nội lực lớn

thì tiết diện lớn (ví dụ nách khung, ), chỗ nội lực nhỏ thì tiết diện đợc thu hẹp(ví dụ chân cột liên kết khớp với móng, ) Điều này khiến giảm đợc trọng lợngthép, dẫn đến giảm chi phí vận chuyển và dựng lắp

Hình 1.1 - Nhà thép tiền chếNhiều hãng lớn của nớc ngoài đã tiếp cận thị trờng nuớc ta; phải kể đến làKirby, Zamil Steel, Amstrong, Butler và trớc đây là các hãng của Tiệp Khắc,trong đó Zamil Steel đang chiếm lĩnh đợc thị trờng nhiều nhất

ở Việt Nam, hiện nay có rất nhiều công ty thiết kế, chế tạo nhà thép Một

số công ty thiết kế nhiều kết cấu thép nh Thikeco, VCC, CDC, CCU, Vinaconex

ở phía Bắc; CETTA, IDC, ở phía Nam, một số đơn vị chuyên chế tạo nh công

ty kết cấu thép Đông Anh, Formach và các công ty cơ khí khác

Hiện tại các chơng trình tính toán của nớc ngoài và các quy phạm đikèm cha đợc ngời thiết kế hiểu một cách thấu đáo Cha có một đơn vị nào ởViệt Nam có một quy trình thiết kế thực sự bài bản cho việc thiết kế khungtiền chế

Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành Việt nam (TCVN) đợc xây dựng trên nềntảng hệ thống tiêu chuẩn của Liên Xô cũ còn có nhiều hạn chế về tính đồng bộ,

về tính kinh tế và về phạm vi áp dụng; đặc biệt là không có quy định cụ thể vềkiểm tra các cấu kiện dạng vát Vì vậy ngời thiết kế không thể sử dụng TCVN

để thiết kế khung thép tiền chế Từ nhu cầu thực tiễn, Bộ xây dựng đã ra Quyết

định 09/2005 quy định về việc cho phép sử dụng các tiêu chuẩn nớc ngoài vàoviệc thiết kế các công trình xây dựng ở Việt Nam Do vậy việc nghiên cứu sâuhơn để có thể sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế của nớc ngoài trong điều kiện ViệtNam là cần thiết Đề tài này nhằm xây dựng một quy trình cho thiết kế khungthép tiền chế một tầng một nhịp theo tiêu chuẩn BS5950-1:2000, sử dụng ở ViệtNam

1.2 Giới thiệu về tiêu chuẩn BS 5950

Tiêu chuẩn BS 5950 mang tên ‘‘Sử dụng kết cấu thép cho công trình nhà-Structure use of steelwork in building’’, thực tế là gồm các Quy phạm về thiết

kế, chế tạo, lắp dựng, phòng cháy cho các loại kết cấu thép do Viện tiêu chuẩnAnh BSI tổ chức biên soạn và ban hành Bản BS có các phiên bản 1985, 1990 và

2000 Phiên bản năm 2000 là bản Tiêu chuẩn có cơ sở lý luận vững chắc, đợc hỗtrợ nhiều bảng tính sẵn và tài liệu hớng dẫn kèm theo, là cơ sở chính để các nớcChâu âu biên soạn ra tiêu chuẩn Eurocode về kết cấu thép Tiêu chuẩn BS 5950:

2000 là một bộ tiêu chuẩn lớn, gồm 9 phần đợc xuất bản riêng rẽ:

- Phần 1: Quy định thiết kế kết cấu đơn giản và liên tục ( tiết diện cán nóng)

- Phần 2: Quy định kỹ thuật đối với vật liệu, chế tạo và dựng lắp (tiết diện cán nóng)

- Phần 3: Thiết kế kết cấu hỗn hợp

- Phần 4: Quy định thiết kế sàn với bản sàn thép

- Phần 5: Tiêu chuẩn thiết kế tiết diện tạo hình nguội

- Phần 6: Tiêu chuẩn thiết kế tấm lợp, tấm sàn và tấm tờng loại nhẹ

- Phần 7: Tiêu chuẩn kĩ thuật đối với vật liệu và chế tạo ( tiết diện tạo hình nguội)

- Phần 8: Quy định thiết kế chống cháy

- Phần 9: Tiêu chuẩn thiết kế vỏ bọc chịu lực

Mục đích của BS 5950 là xác định tiêu chí chung cho việc thiết kế kết cấuthép nhà và các công trình liên quan, và chỉ dẫn cho ngời thiết kế các phơngpháp thực hiện tiêu chí này Phần một, ký hiệu đầy đủ là BS 5950-1: 2000, do Uỷban Chính sách các Tiêu chuẩn Anh ban hành và có hiệu lực từ 15 tháng 8 năm

2001, áp dụng cho việc thiết kế kết cấu đơn giản và liên tục bằng cấu kiện cánnóng, thực tế là sử dụng cho phần lớn các kết cấu nhà BS 5950 không xét thiết kếkết cấu chịu động đất Tập tiêu chuẩn BS 5950-1:2000 gồm có 7 chơng:

Chơng 1 : Đại cơng

Chơng 2 : Thiết kế theo trạng thái giới hạn

Chơng 3 : Các tính chất của vật liệu và đặc trng tiết diện

Chơng 4 : Thiết kế các cấu kiện

Chơng 5 : Kết cấu liên tục

Chơng 6 : Liên kết

Chơng 7 : Thử nghiệm bằng gia tải

1.3 Tình hình sử dụng BS 5950-1 : 2000 trên thế giới và ở Việt Nam

Trên thế giới, tiêu chuẩn BS 5950 đợc chấp nhận và sử dụng khá phổ biến

sử dụng ở Việt Nam từ trớc những năm 75 Hiện nay BS là một trong những tiêuchuẩn đợc luật pháp Việt Nam cho phép sử dụng GS.TS Đoàn Định Kiến đãbiên dịch sang tiếng Việt tiêu chuẩn này vào năm 2000 và 2004, có tựa đề ‘‘H-ớng dẫn thiết kế kết cấu thép theo tiêu chuẩn Anh BS 5950-1 : 2000’’.

1.4 Các vấn đề chung về thiết kế [14]

1.4.1 Phơng pháp thiết kế

Thiết kế kết cấu theo trạng thái giới hạn Các trạng thái giới hạn bao gồm:

a Trạng thái cực hạn (Trạng thái giới hạn về phá hỏng)

- Độ bền chịu lực (phá hoại, bị oằn, bị chảy)

1.4.2 Các hệ số an toàn:

Hệ số an toàn đợc dùng trong thiết kế để xét đến các sự biến động của tảitrọng, của vật liệu, điều kiện làm việc, v.v Dới đây là các hệ số an toàn thôngdụng nhất dùng trong thiết kế kết cấu thép

γ12 xét xác suất các tải trọng xuất hiện đồng thời, với giá trị lớn nhất quy

định Tích của hai hệ số này γ1 gọi là hệ số tải trọng;

γps xét sự sai khác của kết cấu so với mô hình tính toán nó;

γpm xét sự sai khác của ứng xử của vật liệu trong kết cấu so với giả thiếttính toán Tích của hai hệ số này đợc gọi là γp hệ số kết cấu

Các giá trị của γf đợc cho trong bảng 1.1 dới đây (trích từ bảng 2, BS

1.4.4 Hệ số an toàn cờng độ vật liệu γm

Hệ số này đợc lấy bằng 1,0 Hệ số này có thể viết thành:

γm = γm1.γm2 (1.2)Trong đó:

γm1, γm2 là những hệ số an toàn bộ phận của vật liệu, xét sự biến động củatính chất vật liệu và cả phơng pháp chế tạo và dựng lắp Giá trị của các hệ số này

đa vào giá trị của cờng độ tính toán của thép py

1.4.5 Biến dạng giới hạn

- Trạng thái giới hạn về sử dụng bao gồm 3 tiêu chí: biến dạng, độ rung và

độ lâu bền

- BS 5950-1:2000 qui định biến dạng giới hạn của nhà hay bộ phận nhà

đ-ợc xem xét do tải trọng sử dụng(hoạt tải) không có hệ số gia tải gây ra

- TCXDVN 338:2005, cũng qui định độ võng đợc xác định theo tải trọngtiêu chuẩn không kể đến hệ số động lực và không xét sự giảm yếu của tiết diện

1.4.6 Vật liệu thép

1.4.6.1 Các mác thép dùng làm kết cấu

Trong BS 5950-1:2000 chỉ giới thiệu ba cấp thép chính tiêu chuẩn Châu Âu

EN 10025 và EN 10137, với kí hiệu chung là Snnn trong đó S là viết tắt củaStructural và nnn là chỉ số giới hạn chảy của thép N/mm2 Cấp thép cơ bản đợclấy là thép cấp S275, đây là thép cácbon thấp có cờng độ khá cao Thép cácbonthấp phổ thông là cấp S235 không đợc coi là cấp thép cơ bản

1.4.6.2 Cờng độ tính toán của thép

Cờng độ tính toán của thép đợc lấy là:

Py = 1,0 Ys < 0,84 Us

trong đó Ys là giới hạn chảy cực tiểu

Us là giới hạn bền kéo đứt cực tiểu (quy định của BS 4360 hoặc của nhà sản xuất thép)

Cờng độ tính toán của một số thép thông dụng đợc cho trong bảng 1.3 dới

đây (bảng 9 BS 5950) Giá trị cờng độ phụ thuộc vào bề dày lớn nhất của thép(thép hình cán nóng hoặc thép tấm)

Bảng 1.3 - Cờng độ tính toán của thép

Cấp cờng độ thép Bề dày lớn nhất (mm) Cờng độ tính toán,(N/mm 2 )

406380100

275265255245235

406380100150

355345335325315295

S 460 16

406380100

450440430410400

1.4.7 Đặc trng tiết diện

Phân loại tiết diện thành các lớp là vấn đề quan trọng của việc tính toánkết cấu Để tránh mất ổn định cục bộ cho cột và các cấu kiện khác nói chung,BS5950 quy định tỷ số giới hạn giữa bề rộng và bề dày của mỗi bộ phận củamột tiết diện ngang khi chịu ứng suất nén (do mô men uốn hoặc do lực dọctrục gây ra) Các bộ phận của tiết diện và cả tiết diện đợc chia làm 4 lớp: Dẻo,

đặc chắc, nửa đặc chắc và mảnh Tỷ số (bề rộng / bề dày) đợc trình bày trongbảng 1.4 dới đây

Lớp 1 (tiết diện dẻo): Có thể phát triển các khớp dẻo với khả năng quay

lớn cho phép phân phối lại mô men trong kết cấu Chỉ có tiết diện thuộc lớp 1mới có thể dùng cho thiết kế kể đến biến dạng dẻo (gọi tắt là thiết kế dẻo)

Lớp 2 (tiết diện đặc chắc): Có thể cho phép đạt đến ứng suất chảy tại

các thớ, đợc sử dụng đến khả năng chịu mô men dẻo nhng độ quay bị hạn chếnên không đợc dùng cho thiết kế dẻo

Lớp 3 (tiết diện nửa đặc chắc): Có thể bị mất ổn định cục bộ, nên khả

năng chịu lực sẽ bị hạn chế, chỉ làm việc đàn hồi (chỉ có các thớ biên mới có thể

đạt ứng suất chảy)

Lớp 4 (tiết diện mảnh): Việc mất ổn định cục bộ trở thành tiêu chí thiết

kế nên ứng suất thực tế còn rất nhỏ hơn cờng độ tính toán; Khả năng chịu lựccủa tiết diện bị giảm đi nhiều Các cấu kiện chịu nén mà không thoả mãn cácgiá trị giới hạn đối với lớp 3 (nửa đặc chắc) cho trong bảng 1.4 thì xếp vào lớp4

Bảng 1.4 - Tỉ số giới hạn giữa bề rộng và chiều dày cho các tiết diện

Cấu kiện chịu nén Tỷ số Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Giá trị giới hạn

b - phần vơn ra của bản cánh ;

B - bề rộng bản cánh ;

T - chiều dày của bản cánh ;

d - chiều cao của bản bụng ;

t - chiều dày của bản bụng ;

D - chều cao của tiết diện

py - cờng độ tính toán của vật liệu thép (N/mm2)

Đối với tiết diện tổ hợp, ε đợc xác định dựa trên cờng độ thiết kế pyf của cánh TCXDVB 338: 2005 chỉ chấp nhận một loại tiết diện, đó là tiết diện dẻo

Nhận xét: Việc phân loại ra nhiều dạng tiết diện làm cho tiêu chuẩn BS 5950:1:2000 có tính u việt hơn tiêu chuẩn TCXDVN 338:2005, cho phép sử dụng nhiều loại tiết diện, thậm chí có thể rất mảnh tạo thuận lợi cho việc thiết

kế dầm thép với bản bụng mỏng không sờn của nhà thép tiền chế.

- Tải trọng trên mái do ngời và các thiết bị vật liệu khi sửa chữa

- Tải trọng do thiết bị công nghệ nh cầu trục, máy móc khác

Mọi tải trọng tạm thời khi thiết kế theo điều kiện bền, đều đợc nhân với hệ

số an toàn tơng ứng

Bảng 1.5 - Trị số của tải trọng áp đặt trên sàn và mái (hoạt tải)

theo tiêu chuẩn BS 5950-1:2000

Nhà xởng 5,0

Mái có ngời lên (có sử dụng) Tải phân bố đều 1,5kN/m2 mặt bằng

hoặc tải tập trung 1,8kNMái không có ngời lên

- Khi góc dốc α < 300

- Khi góc dốc 300< α < 600

- Khi góc dốc α > 600

Tải phân bố đều0,6kN/m2 mặt bằng;

0,6 [(60 - α)/30] kN/m2 mặt bằng;bằng 0 hoặc tải tập trung 0,6kN

Nhận xét: Tải trọng tĩnh và tải trọng áp đặt (hoạt tải) lấy theo bảng 1.5 trên chỉ để ngời đọc tham khảo, khi thiết kế nhà thép sử dụng ở Việt Nam thì các tải trọng tiêu chuẩn phải lấy trong TCXDVN 2737-1995.

- Hệ số S3: Hệ số này xét mức độ an toàn cần có và khoảng thời gian màkết cấu phải chịu gió Thông thờng, tải trọng gió lên công trình với thời gian tồntại là 50 năm, S3 = 1

- Hệ số áp lực Cp: Hệ số này đợc cho trên mỗi bề mặt hoặc phần bề mặtcủa nhà Diện tích của bề mặt nhân với hệ số áp lực ngoài Cpe và áp lực động sẽcho tải trọng gió tác dụng áp lực ngoài; mặt phía trong thì dùng hệ số áp lựctrong Cpi Lực tác dụng F vuông góc với bề mặt cấu kiện là

F = (Cpe - Cpi).q.A (l.5)Trong đó A là diện tích bề mặt cấu kiện Giá trị F âm có nghĩa là lực hớng

ra ngoài

Giá trị của Cpe đợc trong các bảng 7 đến 15 của CP3

Giá trị của Cpi, đối với phần lớn các trờng hợp nhà mà mặt tờng có thểphần nào cho gió lọt qua (qua cửa sổ, cửa chớp) mà không có lỗ mở lớn trong lúcgió bão, đợc lấy một trong hai số, chọn số bất lợi nhất, là + 0,2 (đối với nhà hở)

hoặc - 0,3(đối với nhà kín)

- Hệ số hợp lực Cf Hệ số này áp dụng vào toàn thể nhà hay công trình.dùng nhân với diện tích đón gió hữu hiệu Ae của nhà hay công trình và nhân với

áp lực động q sẽ cho tổng lực gió lên công trình:

F = Cf q Ae (1.6)Trong đó: Cf - hệ số hợp lực (cho tại Bảng 10 của CP3 );

F - lực tác dụng theo hớng gió

1.4.9 Tổ hợp tải trọng

Mọi tải trọng lên kết cấu đợc xét riêng lẻ rồi đợc tổ hợp lại, sao cho đạt

đ-ợc nội lực lớn nhất tại tiết diện khảo sát Mỗi tải trọng phải đđ-ợc nhân với hệ số

v-ợt tải tơng ứng γf Với nhà một tầng, không cầu trục thì các tổ hợp tải trọng là

nh sau:

Bảng 1.6 - Bảng tổ hợp tải trọng theo BS 6399

- Tĩnh tải D + tải áp đặt I 1,4D + 1,6I

- Tĩnh tải D + tải trọng gió W 1,4D + 1,4W

- Tĩnh tải D + tải áp đặt I + gió W 1,2D + 1,2I + 1,2W

- Tĩnh tải D + gió W (bốc lên) 1,2D + 1,4W

vào hệ số vợt tải, còn TCVN 2737-95 thì tách riêng Nh vậy, có thể nói rằng cách xác định nội lực tính toán trong tiêu chuẩn Việt Nam phức tạp hơn Nhng

hệ số tổ hợp trong tiêu chuẩn BS 5950-1:2000 lớn hơn TCVN 2737-95.

1.4.10 Phơng pháp tính toán cấu kiện

- Trong BS 5950-1:2000, trớc khi thiết kế một loại cấu kiện nào đó

đầu tiên ngời ta phải chọn lớp tiết diện để quyết định công thức cần dùng.TCXDVN chỉ chấp nhận tiết diện dẻo và không có nhiều sự lựa chọn

- BS 5950-1:2000 có công thức kiểm tra ổn định cho thanh có tiết diệnthay đổi tuyến tính theo chiều dài cấu kiện (TCXDVN 338-2005 không có) theo

Fc : Lực dọc tại tiết diện khảo sát;

Mxi : Mômen quanh trục chính tại tiết diện khảo sát;

Mbi : Khả năng chống oằn;

Pc : Khả năng chịu nén của cấu kiện

Cách tính toán các tham số trên đợc trình bày cụ thể trong chơng 4

- BS 5950-1:2000 so sánh nội lực nội lực tại một tiết diện nào đấy với khảnăng chịu lực tại tiết diện đó, còn TCXDVN 338:2005 so sánh ứng suất lớn nhấttrong tiết diện với cờng độ tính toán của vật liệu

Nhận xét: Phơng pháp tính toán nhà thép tiền chế một tầng một nhịp trong phạm vi luận văn đợc tính toán theo đàn hồi Vì vậy khi thiết kế một cấu kiện nào đó, ta chỉ chọn lớp tiết diện 3 (nửa đặc chắc) và 4 (mảnh).

1.5 Kết luận chơng 1:

- Ngoài các phần tính toán các cấu kiện cơ bản giống trong TCXDVN338:2005, thì tùy theo trờng hợp cụ thể BS 5950-1:2000 với nhà thép tiền chếcòn có thêm các phần tính toán khác nữa nh :

+ Thiết kế dầm tờng, xà gồ;

+ Thiết kế kết cáu liên tục;

+ Thử nghiệm bằng gia tải

- Đặc biệt BS 5950 :1-2000 còn có công thức kiểm tra ổn định cho thanh

có tiết diện thay đổi tuyến tính theo chiều dài cấu kiện mà TCXDVN 338 : 2005không có

- Các hệ số an toàn (HSAT): Nếu tổng hợp các HSAT thì HSAT theoTCVN nhỏ hơn BS, nh vậy tính toán theo tiêu chuẩn BS an toàn hơn

- Về đặc trng tiết diện: Trong BS 5950-1: 2000 tiết diện đợc phân thành 4lớp tiết diện (lớp dẻo, lớp đặc, lớp nửa đặc, lớp mảnh) Trong TCXDVN 338 :

2005 chỉ chấp nhận một loại tiết diện dẻo Việc phân loại tiết diện làm cho BS5950-1: 2000 có tính u việt hơn TCXDVN 338 : 2005, cho phép sử dụng nhiềuloại tiết diện, thậm chí có thể là rất mảnh.

- Trong khung thép tiền chế, thờng sử dụng những cấu kiện vát, có bảnbụng mỏng mà không cần gia cờng Với những u điểm của tiêu chuẩn BS 5950-1: 2000 so với TCXDVN 338: 2005 nh trình bày ở trên, việc sử dụng tiêu chuẩn

BS vào việc thiết kế khung tiền chế là hợp lý và tiện dụng

- Từ thực tế nêu trên, luận văn nhằm thiết lập một quy trình tính toán, thiết

kế khung thép tiền chế một tầng một nhịp theo tiêu chuẩn BS 5950-1: 2000 vớicông việc cụ thể là :

+ Giới thiệu các bộ phận trong nhà thép tiền chế, cách bố trí và đặc điểmlàm việc của từng bộ phận đó

+ Xác định tải trọng lên khung ngang, các cấu kiện phụ, sau đó thiết kế

và tiến hành kiểm tra các cấu kiện đó

+ Xây dựng sơ đồ khối và thiết lập chơng trình tự động tính toán, kiểm tra các cấu kiện, kết cấu của nhà

+ Tiến hành ví dụ cụ thể để làm rõ quy trình tính toán trong các chơng 1,chơng 2, chơng 3

Chơng 2

CáC bộ phận của kết cấu nhà thép tiền chế

2.1 Đại cơng về kết cấu thép tiền chế [6]

Từ giữa thế kỷ 19, thép đã bắt đầu đợc xác định là một trong những vậtliệu hàng đầu và đáng tin cậy cho việc xây dựng những công trình lớn Ngay từkhi bắt đầu đợc ứng dụng thì dầm thép cán nóng và dầm thép tổ hợp đã cạnhtranh với nhau về phơng diện linh hoạt và tính kinh tế

Các nhà thiết kế ngày càng nhận thấy rằng: khi kết cấu khung đợc làmbằng các cấu kiện tiết diện không đổi nh ở dầm thép cán sẽ gây lãng phí một l-ợng vật liệu đáng kể, do nội lực tính toán ở những tiết diện của khung rất khácnhau trong khi ta lại dùng một tiết diện trên suốt chiều dài thanh Mặt khác, tiếtdiện thép cán thờng có bề dày bản bụng lớn hơn nhiều so với yêu cầu chịu tảicủa nó Vì vậy, việc sử dụng và phát triển sản xuất dầm thép tổ hợp ngày mộtnhiều hơn cũng là điều dễ hiểu Với dầm thép loại này, ngời ta có thể dễ dàng

điều chỉnh kích thớc dày, rộng của các bản thép để có tiết diện hợp lý và thay đổitiết diện dầm để thu đợc một kết cấu chịu lực hợp lý

Ban đầu, nhà thép tiền chế đợc thiết kế và sản xuất còn cứng nhắc, chalinh hoạt trong việc bố trí kết cấu và hình dạng cấu kiện Về sau, cùng với sựphát triển của công nghệ sản xuất thép hình thành mỏng và các phần mềm máytính ngày càng hiện đại hơn đã thay đổi đợc những hạn chế này Điều này phùhợp với việc nền kinh tế phát triển mạnh ở nhiều quốc gia dẫn đến nhu cầu vềcác công trình xây dựng bằng thép tiền chế không những đòi hỏi số lợng nhiềuhơn, chất lợng cao hơn, linh hoạt hơn mà còn phải đảm bảo tính thẩm mỹ

Nhà thép tiền chế thông thờng có 4 thành phần chính:

- Khung ngang chịu lực chính bằng thép, tiết diện tổ hợp

- Các kết cấu làm bằng thép dập nguội (xà gồ mái, xà gồ tờng, )

- Hệ thống giằng

- Hệ thống mái, tờng bao che

*Ưu điểm của nhà thép tiền chế :

Suốt 50 năm qua ngành công nghiệp sản xuất nhà thép tiền chế ngày càngphát triển mạnh mẽ vì loại kết cấu này có khá nhiều u điểm Có thể kể ra đâymột số u điểm chính:

- Thời gian xây dựng nhanh: do các cấu kiện đợc chế tạo trong nhà máy,

có độ chính xác cao, việc lắp dựng đơn giản và nhanh chóng, có thể thực hiện

đ-ợc bằng cách ghép các bộ phận với nhau bằng liên kết bulông Thời gian xây

dựng nhanh cũng có nghĩa là tiết kiệm đợc lao động, giảm chi phí xây lắp vàsớm đa công trình vào sử dụng.

- Tiết kiệm vật liệu: trọng lợng khung chính có thể giảm tới 40% so vớiviệc dùng khung bằng thép đúc truyền thống Việc sử dụng các kết cấu phụ tiếtdiện chữ Z, C bằng thép dập nguội tiết kiệm 30% so với làm bằng thép cán nóng.Phế liệu sản xuất từ những sản phẩm thép tổ hợp và dập nguội nhỏ hơn 75% phếliệu sinh ra từ việc chế tạo những thanh thép cán

- Chế tạo dễ dàng, chính xác do đợc sản xuất bằng các máy móc chuyêndụng và chủ yếu là sản xuất ở trong nhà máy

- Trọng lợng nhẹ do đó giảm chi phí vận chuyển và chi phí làm móng Vớinhững vùng khi thiết kế cần xét đến tác động của động đất thì việc khung thép cótrọng lợng nhẹ có những lợi ích đáng kể

- Dầm bụng đặc có chiều cao nhỏ hơn (tới hơn 2 lần) so với dàn nên giảmchiều cao nhà, thuận tiện cho vận chuyển và dựng lắp

- Tính linh hoạt: các tòa nhà thép dễ dàng mở rộng trong tơng lai theo cả

bề ngang và chiều dài Thậm chí trong những điều kiện cần thiết có thể dễ dàngtháo dỡ, di chuyển đến địa điểm khác

Mặt khác, nhà thiết kế có thể dễ dàng đáp ứng các yêu cầu của khách hàng

về mặt kiến trúc cũng nh về mặt chịu lực Nhịp của nhà có thể tới 100m, bớc cột

có thể tới 10m và chiều cao có thể tới 30m

- Tiện bảo quản, chi phí bảo quản thấp: bề mặt kim loại thoáng dễ dànglàm sạch, chống gỉ

- Vấn đề về môi trờng: khối lợng công việc ngoài công trờng khá ít, việcxây dựng các nhà thép tơng đối sạch sẽ, không ảnh hởng nhiều đến môi trờng

* Nhợc điểm của nhà thép tiền chế :

- Kém khả năng chịu thêm tải trọng: do các khung thép đợc cắt vát những

“phần thừa” để tạo nên một kết cấu kinh tế nhất có thể Vì vậy, bất kỳ một tảitrọng phụ thêm bổ sung trong quá trình sử dụng đều phải đợc xem xét thậntrọng Một thiết bị đặt thêm vào khung cũng có thể gây ra nội lực, biến dạng vợtquá khả năng của kết cấu

- Khó kiểm soát chất lợng công trình đối với những nhà sản xuất trong nớc

do không tuân theo một quy trình thiết kế và sản xuất bài bản nào cả

2.2 Khung ngang [15]

Kết cấu của nhà thép tiền chế gồm có khung ngang cơ bản, liên hệ vớinhau bằng các kết cấu dọc nh hệ giằng, xà gồ, dầm cầu trục, kết cấu của mái, kếtcấu đỡ tờng Khung ngang thờng làkết cấu khung đặc tiết diện tổ hợp dạng chữ I

trong đó cột và dầm có dạng vát, tức là bề cao tiết diện đợc thay đổi tuyến tínhdọc theo chiều dài cấu kiện, chỗ nội lực lớn thì tiết diện lớn (ví dụ náchkhung, ), chỗ nội lực nhỏ thì tiết diện đợc thu hẹp (ví dụ chân cột liên kết khớpvới móng, ) (hình 1.2) Điều này khiến giảm đợc trọng lợng thép dẫn đến giảmcông vận chuyển và dựng lắp

đề cập đến trong quy phạm tính toán của Việt Nam: cấu kiện vát

2.2.2 Kích thớc khung ngang

Khung ngang có các kích thớc chính theo phơng nằm ngang liên quan đến

bề rộng nhà (nhịp khung) và kích thớc theo phơng thẳng đứng, liên quan đếnchiều cao hữu ích của nhà

Hình 2.2 - Khung thép tiền chế một tầng, một nhịp không sử dụng cầu trục

Khi có cầu trục thờng dùng cột có tiết diện không đổi, có thể chọn trục

định vị trùng với tim cột Cũng có thể dùng dạng vát cho đoạn phía dới vai cột,khi đó trục định vị lấy trùng với mép ngoài cột (hình 2.3)

độ dốc là 1/10, khi nhịp lớn hơn (từ 36m trở lên) thì nên tăng độ dốc mái để dễthoát nớc hơn

2.2.3 Bố trí khung ngang

Khung ngang bố trí theo phơng ngang mặt bằng nhà, các cột khung tạonên lới cột Bớc khung B (khoảng cách các cột theo phơng dọc nhà)thờng cómôđun 6m; 7,5m; 9m (có thể bớc khung lên tới 12m, 15m)

2.3 Hệ giằng [9]

2.3.1 Đặc điểm bố trí hệ giằng trong nhà thép tiền chế

Việc bố trí hệ giằng trong nhà thép tiền chế nói chung là tuân theo nguyên

lý bố trí hệ giằng trong nhà công nghiệp một tầng Tuy nhiên do đặc điểm nhàthép tiền chế chủ yếu đợc sử dụng trong các công trình công nghiệp nhẹ nên hệgiằng đơn giản hơn và có dạng kết cấu nhẹ (thanh giằng thờng là thép tròn hoặcdùng dây cáp)

Hình 2.4 - Hệ giằng dùng dây cáp và thép tròn.

Hệ giằng mái trong nhà thép tiền chế có một số đặc điểm riêng nh là:+ Không có giằng đứng, mà thay nó bằng các thanh chống dọc đủ cứng.+ Có thanh giằng bên làm nhiệm vụ chống oằn cho dầm mái (chống mất

ổn định cục bộ cho cánh dầm khi xuất hiện ứng suất nén trong bản cánh)

Hệ giằng cột trong nhà thép tiền chế cũng đợc cấu tạo đơn giản và nhẹnhàng hơn trong nhà công nghiệp truyền thống, vì nhà thấp chịu tải trọng gió béhoặc tải trọng dọc khác loại nhẹ

Hình 2.5 - Hệ giằng cột

Ngoài ra nhà thép tiền chế thờng đợc chế tạo từ vật liệu thép có cờng độ

cao, tiết diện cấu kiện thờng có độ mảnh lớn Vì vậy việc bố trí hệ giằng còn

phải hợp lý để giảm độ mảnh, tăng độ cứng và nhằm đảm bảo ổn định tổng thể

cho mọi cấu kiện

Hình 2.8 - Mặt cắt I-I (Hệ giằng cột khi có cầu trục)

Đối với hệ giằng mái của nhà tiền chế có một số đặc điểm riêng khác với

hệ giằng mái của nhà công nghiệp một tầng nói chung (xem hình vẽ 2.9-2.10)

Hình 2.9 - Bố trí giằng mái nhà thép tiền chế

(Khung đầu hồi giống các khung giữa)

Hình 2.11 - Mặt cắt II-II (Hệ giằng cánh-giằng bên)

Hệ giằng mái bao gồm:

- Giằng mái 1 : Đợc bố trí ở hai đầu hồi (truờng hợp 1) hoặc bố trí ở nhịpthứ hai (trờng hợp 2), đầu khối nhiệt độ, chỉ có ở mặt phẳng cánh trên dầm

- Giằng mái 2: Là khối giằng mái bố trí ở giữa nhà, thờng dùng cho cácnhà có chiều dài lớn.

- Giằng dọc: Thờng đợc bố trí ở các nhà có không gian trong nhà dài rộng,

và có cầu trục Ngoài ra còn có thể có các thanh chống dọc nhà tại vị trí các nútgiằng Trong nhà thép tiền chế, thờng tận dụng thanh chống dọc là xà gồ

- Giằng cánh: Thờng sử dụng trong nhà tiền chế có hệ mái nhẹ.

2.3.3 Nhiệm vụ của hệ giằng mái

Các thành phần của hệ giằng mái có nhiệm vụ chung là tạo độ cứng tổngthể cho hệ kết cấu mái đồng thời tham gia chịu và phân phối tải trọng tác dụngcục bộ lên các cấu kiện thành phần, ngoài ra giằng còn tham gia phục vụ thicông công trình Vai trò và nhiệm vụ cụ thể của từng thành phần nh sau:

- Giằng mái 1: Là điểm tựa để đón nhận tải trọng gió từ đầu hồi qua cáccột sờn tờng và truyền tác dụng lên kết cấu khung (vai trò của hệ dàn gió) Giảmchiều dài tính toán và giữ ổn định cho cánh trên hoặc cánh dới của dàn kèo (vớidạng nhà công nghiệp kiểu truyền thống) hoặc giữ ổn định tổng thể cho dầm kèo(với nhà tiền chế). Tạo khối cứng, giữ ổn định và làm điểm tựa cho các khung

khác

Trong quá trình thi công, các khối giằng này trở thành các khối cứng làm

điểm tựa cho việc lắp dựng các khung khác (thông qua các thanh chống dọc hoặc

xà gồ mái)

- Giằng mái 2: Tham gia tăng độ cứng tổng thể công trình khi chiều dàicông trình là khá lớn, khoảng cách giữa hai khối giằng trong một khối nhiệt độkhông quá 50m

- Giằng dọc: Kết hợp với giằng mái 1, 2 thành một vành cứng liên kết các

đầu cột, tăng sự tơng tác giữa các khung làm cho hệ làm việc không gian, làmtăng cờng sự chống xoắn của nhà

- Giằng cánh: Giảm nhịp cho xà gồ và giữ ổn định bên của dầm kèo (vớinhà tiền chế) khi xuất hiện sự oằn mất ổn định của cánh nén.

2.4 Xà gồ và dầm tờng [13]

2.4.1 Nhiệm vụ của xà gồ và dầm tờng

- Xà gồ và dầm tờng là những cấu kiện thứ yếu của nhà dùng để đỡ các bộphận bao che nh mái, tờng treo Xà gồ đợc làm từ thép hình cán nóng nhng phầnlớn đợc làm từ thép hình tạo nguội

- Xà gồ và dầm tờng ngoài nhiệm vụ chính là đỡ tôn mái và tôn tờng còn

có vai trò nh hệ giằng dọc, giằng các khung với nhau, làm tăng cờng sự cùng làmviệc và giảm nội lực và chuyển vị của các khung theo phơng ngang nhà (phơngmặt phẳng khung) Cánh trên chịu nén của dầm mái (tại vùng mômen dơng) đợcgiữ ổn định bằng xà gồ đặt lên, còn cánh dới chịu nén (tại vùng mômen âm)

cũng đợc giữ ổn định bằng cách dùng các thanh chống chéo nối cánh dới đó với

xà gồ (hình 2.14) Cũng dùng cách giằng này với dầm tờng để giữ ổn định chocánh trong của cột Giải pháp này đợc ứng dụng ở hầu hết các nhà thép tiền chế.Các công ty chế tạo kết cấu thép tiền chế của nớc ngoài đặt tại ViệtNam(ZamilSteel, BHP, Peb Steel ) sử dụng chủ yếu khi tính toán cấu kiện thépcán nguội, đó là tính toán theo lý thuyết thanh thành mỏng Vấn đề này ít đợc đềcập trong tiêu chuẩn Việt Nam

Hình 2.12 - Xà gồ chữ Z và chữ C

2.4.2 Đặc điểm làm việc của xà gồ và dầm tờng

- Xà gồ đặt trực tiếp trên dầm mái, thờng đợc cấu tạo nh dầm liên tục, cólợi về mômen và độ võng bé hơn so với dầm đơn giản Việc tạo dầm liên tục vớitiết diện chữ C và Z khá đơn giản: tiết diện chữ Z thì đặt phủ chồng lên nhau, tiếtdiện chữ C thì quay lng vào nhau, và bắt bulông Càng tăng chiều dài phủ chồngthì càng tăng tính liên tục: chiều dài đoạn phủ chồng ít nhất là 60cm, nhiều nhấttới nửa nhịp (xà gồ vơn xa khỏi dầm mái 1/4 nhịp), khả năng chịu lực có thể tăngtới 100% (hình 2.13) Tính liên tục trong kết cấu mang lại sự kinh tế hơn vì mốinối chồng làm chiều dày bên trong xà gồ tăng gấp đôi ở đoạn nối, gia tăng cờng

độ của tiết diện nơi mà các mômen uốn và các lực cắt là cực đại, tăng khả năngchịu tải và độ cứng của cả hệ

Hình 2.13 - Đoạn nối chồng xà gồ và thanh chống xà gồ (giằng cánh)

2.5 Hệ mái

- Hệ mái và tờng của nhà thép tiền chế thờng là loại kết cấu nhẹ: làm bằngtấm kim loại một lớp hoặc ba lớp, thỏa mãn đầy đủ yêu cầu sử dụng, tiện nghi,bền vững (thời hạn đảm bảo từ 20 năm đến 50 năm) (hình 2.14) Ngoài ra để phùhợp với khung cảnh kiến trúc, còn dùng loại mái phi kim loại nh mái vải màngmỏng.

- Có hai loại chính liên kết tấm lợp với với xà gồ trong thực tế Loại phổthông là bắt vít: tấm lợp đợc bắt vào xà gồ bằng các vít tự khoan và tự ren Loạiliên kết này tạo nên độ cứng cho hệ thống tấm lợp và phần nào tạo kiềm chếxoắn cho xà gồ Loại thứ hai là liên kết mối đứng Tấm lợp không liên kết trựctiếp vào xà gồ mà nhờ các chi tiết ẩn kín trong sờn cao của tấm, các chi tiết náycho phép cho phép tấm lợp di chuyển xoay và trợt (khi có biến dạng của xà gồ và

co dãn vì nhiệt) Loại liên kết này tạo độ cứng bên không đáng kể nên xà gồ cần

có giằng để kiềm chế chuyển vị bên và kiềm chế xoắn Trong nhà thép tiền chế,tấm lợp đợc liên kết với xà gồ bằng cách bắt vít Lúc đó xà gồ sẽ đợc kiềm chếoằn bên và chống xoắn một phần

Hình 2.14 - Tấm mái

2.6 Kết luận chơng 2

- Nêu đợc những u, nhợc điểm của nhà thép tiền chế

- Giới thiệu các bộ phận trong nhà thép tiền chế, cách bố trí, tác dụng và

đặc điểm làm việc của từng bộ phận đó:

+ Khung ngang thờng là kết cấu khung đặc tiết diện tổ hợp chữ I trong đócột và dầm có dạng vát, tức là bề cao tiết diện đợc thay đổi tuyến tính dọc theochiều dài cấu kiện

+ Việc bố trí hệ giằng trong nhà thép tiền chế nói chung là tuân theonguyên lý bố trí hệ giằng trong nhà công nghiệp một tầng Tuy nhiên do đặc

điểm nhà thép tiền chế chủ yếu đợc sử dụng trong các công trình công nghiệpnhẹ nên hệ giằng đơn giản hơn và có dạng kết cấu nhẹ (thanh giằng thờng là théptròn hoặc dùng dây cáp)

+ Trong nhà thép tiền chế xà gồ và dầm tờng đợc làm từ thép hình tạonguội, tính toán theo lý thuyết thanh thành mỏng Xà gồ đặt trực tiếp trên dầmmái, thờng đợc cấu tạo nh dầm liên tục chịu nén uốn.

- Chơng 2 đã giới thiệu đợc sơ đồ và kích thớc khung ngang, đặc điểm làmviệc, cách bố trí các bộ phận trong nhà thép tiền chế một tầng một nhịp, tạo tiền

đề cho việc xây dựng chính xác mô hình hóa, sơ đồ tính các bộ phận trên trongcác chơng tiếp theo

Chơng 3

TíNH TOáN KHUNG NGANG

3.1 Tải trong tác dụng lên khung ngang[4]

Các tải trọng tác dụng lên khung ngang bao gồm :

+ Tải trọng thờng xuyên: Trọng lợng bản thân của kết cấu chịu lực và kếtcấu bao che

+ Tải trọng tạm thời: Do cầu trục, tải trọng gió, tải trọng trên mái do ngời

BS 5950-1: 2000

3.1.1 Tải trọng tác dụng lên xà ngang

Tải trọng tác dụng lên xà ngang gồm trọng lợng của mái, của xà gồ, củacửa trời (nếu có), của trọng lợng bản thân kết cấu, tải trọng tạm thời khi sử dụng

và sửa chữa trên mái Các tải trọng này đợc tính ra N trên m2 mặt bằng nhà, sau

đó qui về phân bố trên xà ngang

a Trọng lợng mái

Dựa vào cấu tạo cụ thể mái của mái tính ra trọng lợng từng lớp (đơn vịN/m2 mặt dốc mái) ; đổi ra N/m2 mặt bằng bằng cách chia cho cosα (α là gócdốc của xà ngang)

b Trọng lợng bản thân dầm

Là trọng lợng bản thân của kết cấu dầm, phụ thuộc vào tiết diện dầm Khikhai báo tiết diện đầu vào, chơng trình tính toán kết cấu (ví dụ nh Sap 2000,Etab, Stadd ), máy sẽ tự động tính tải bản thân của dầm

c Trọng lợng kết cấu cửa trời

Theo công thức kinh nghiệm dc

lt = αlt l. lt daN/m2 mặt bằng nhà (3.1) trong đó αlt = 0,5; llt - nhịp của cửa trời, m

d Trọng lợng cánh cửa trời và bậu cửa trời

Các tải trọng này tập trung ở chân cửa trời Để tiện tính khung nên quy đổithành phân bố trên mặt bằng nhà Trọng lợng bậu cửa bằng 100 - 150 daN/mbậu; trọng lợng cửa kính và khung cánh cửa lấy bằng 35 - 40 daN/m2 cánh cửa

e Tải trọng thờng xuyên

Tải trọng thờng xuyên bằng tổng trọng lợng mái, trọng lợng bản thândầm, trọng lợng kết cấu cửa trời (nếu có), trọng lợng thiết bị, trọng lợng xà gồ

Để tính tải trọng thờng xuyên phân bố đều trên dầm, nhân tổng các tảitrọng phân bố trên mặt bằng với bớc khung B (m).

- Tải trọng thờng xuyên

D (daN/m) = B Σ di (daN/m2) (3.2)

D (daN/m) = B/2 Σ di (daN/m2) đối với khung đầu hồi

Trong đó: Σ di - tổng các tải trọng thờng xuyên phân bố trên m2;

B - bớc khung của nhà

f Tải trọng tạm thời

Tải trọng tạm thời do sử dụng và sửa chữa trên mái lấy theo nhiệm vụ thiết

kế Khi không có yêu cầu đặc biệt, thì lấy theo TCVN 2737 - 95, ví dụ với máibằng không có ngời lên thì i=75 daN/m2 mặt bằng, để tính ra tải trọng tính toánthì ta nhân với hệ số vợt tải, hệ số này đợc quy định trong tiêu chuẩn BS.

Để tính tải trọng tạm thời phân bố đều trên dầm, nhân tổng các tải trọngphân bố trên mặt bằng với bớc khung B (m)

- Tải trọng tạm thời

I (daN/m) = B.i (daN/m2) (3.3)

I (daN/m) = B/2.i (daN/m2) đối với khung đầu hồi

Trong đó: i - tải trọng tạm thời phân bố trêm m2 mái;

- Trờng hợp chân cột liên kết khớp, đỉnh cột cột liên kết ngàm thì không cần xác định phản lực này

b Do trọng lợng bản thân của dầm cầu trục

Sử dụng công thức kinh nghiệm:

Icb = αcb L2cb, (daN) (3.6)Trong đó:

lcb - nhịp dầm cầu trục m; αcb - hệ số trọng lợng bản thân dầm cầu trục;

αcb = 24 - 37 với cầu trục sức trục trung bình (Q < 75t);

Icb - tải trọng thờng xuyên đặt tại chỗ vai đỡ dầm cầu trục do trọng lợngbản thân dầm cầu trục Trị số của nó không lớn so với áp lực của bánh xe cầutrục, nên đôi lúc đợc nhập luôn vào trị sồ áp lực bánh xe, coi nh là tải trọng tạmthời.

Hình 3.1 - Khung ngang chịu tải trọng cầu trục

c Do áp lực đứng của bánh xe cầu trục

Tải trọng của một bánh xe cầu trục gồm có các thành phần sau:

- áp lực thẳng đứng: Là tải trọng thẳng đứng lớn nhất của bánh xe gây bởitrọng lợng cầu trục, trọng lợng xe cẩu và vật cẩu ở vị trí gần nhất so với dầm cầutrục áp lực thẳng đứng của bánh xe Ww đợc cho bởi nhà chế tạo cầu trục Giá trịnày phải nhân thêm với hệ số động lực và tác động xung kích nh sau: với cầutrục chế độ nhẹ và vừa (tức là cấp Q1 , Q2 theo BS 2573, phần 1 ) Tải trọng tínhtoán phải nhân thêm với hệ số vợt tải γf khi chỉ xét riêng tải trọng đứng của bánh

xe Nếu xét đồng thời cả tải trọng đứng và tải trọng ngang của bánh xe thì hệ sốvợt tải là 1,4

- Tải trọng ngang do xe cẩu: tải trọng vuông góc với dầm, gây bởi xe cẩuchạy ngang nhà và hãm, cùng với việc nâng vật không thẳng đứng Theo BS

6399, tải trọng này bằng 10% tổng trọng lợng của xe cẩu và vật cẩu (sức nâng).Lực này đặt tại đỉnh ray, chia đều cho các bánh xe Hệ số vợt tải khi chỉ xét tảitrọng ngang là 1,6, khi xét đồng thời với tải trọng đứng thì là 1,4

- Lực hãm theo phơng dọc nhà: gây bởi cầu trục hãm khi chạy dọc nhà.Lực này đặt tại mức cánh trên dầm cầu chạy, có phơng dọc theo dầm, giá trịbằng 5% lực đứng của một bánh xe Hệ số vợt tải cũng lấy nh đối với lực ngang

- Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang phụ thuộc vào địa điểm xây

dựng và hình dáng công trình Gió thổi lên mặt tờng dọc, đợc chuyển về thành

phân bố trên dọc chiều cao cột khung

- Tốc độ gió thiết kế đợc tính theo công thức:

Vs = V.Sl.S2.S3 (3.7)

trong đó V là tốc độ gió cơ bản và Sl, S2, S3 là các hệ số tốc độ gió thiết kế Tải trọng gió của Anh đợc lấy theo tiêu chuẩn CP3,vận tốc gió cơ bản là 50năm, còn của Việt Nam lấy theo TCVN 2737-95 là 30 năm Tốc độ gió cơ bảncủa hai tiêu chuẩn đều là tốc độ của trận gió trong 3 giây Vì vậy khi thiết kếcông trình nằm trên lãnh thổ Việt Nam thì tốc độ gió cơ bản V sẽ lấy theo Tiêuchuẩn TCVN 2737-95 cho các vùng khác nhau ở nớc ta Cách xác định các hệ số

- Để xác định lực lên ngôi nhà hay công trình, hoặc bộ phận của chúng, áplực động q sẽ đợc nhân với hệ số áp lực Cp

Cpe - hệ số áp lực ngoài, đợc cho trong các bảng 7 đến 15 của CP3

Cpi - hệ số áp lực trong, đợc lấy một trong hai số, chọn số bất lợi nhất,

Với nhà thép tiền chế một tầng một nhịp, thờng vào trờng hợp sau:

4 2

EF=-1,2 , GH=-0,4 (với góc mái α=100 )

Vậy trờng hợp bất lợi nhất của hệ số áp lực Cp trong trờng hợp này là :

Díi ®©y lµ 1 sè khung tiÒn chÕ thêng gÆp

Khung đợc giải lần lợt với mỗi loại tải trọng riêng rẽ đã xét ở trên và các

tổ hợp tải trọng qui định trong BS 6399, dùng các phơng pháp cơ học kết cấuhoặc các công thức tính sẵn, các bảng số Ngày nay với sự trợ giúp của máy tính

điện tử và các chơng trình tính toán kết cấu thông dụng nh SAP, STADD,ETAB , việc xác định nội lực khung tiến hành đơn giản, nhanh và có kết quảchính xác

3.3 Kết luận chơng 3

- Khi tiến hành thiết kế khung thép theo tiêu chuẩn BS 5950 ở Việt Namthì các số liệu về tải trọng nh tĩnh tải tiêu chuẩn, hoạt tải tiêu chuẩn lấy theo tiêuchuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995 Còn cách chọn tải trọng tính toán, phơngpháp tổ hợp tải trọng, vật liệu thì theo tiêu chuẩn BS 5950-1: 2000

- Tải trọng gió của Anh đợc lấy theo tiêu chuẩn CP3, vận tốc gió cơ bản là

50 năm, còn của Việt Nam lấy theo TCVN 2737-95 là 30 năm Tốc độ gió cơbản của hai tiêu chuẩn đều là tốc độ của trận gió trong 3 giây Khi tính toán tảitrọng gió thì lấy vận tốc gió cơ bản theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737:1995ứng với các vùng khác nhau (quy đổi từ áp lực gió), còn cách tính áp lực độngcủa gió và các hệ số tổ hợp thì theo tiêu chuẩn BS 5950-1: 2000

- Chơng 3 đã hớng dẫn việc xác định các loại tải trọng nh tĩnh tải, hoạt tải,tải trọng gió, tải trọng của cầu trục (nếu có) tác dụng lên khung ngang và sơ đồ

mô hình hóa một số khung điển hình thờng gặp, tạo tiền đề cho việc xác định nộilực, thiết kế các cấu kiện dầm và cột tiết diện chữ I trong chơng 4 tiếp theo.

Chơng 4

thiết kế KHUNG NGANG

Trong tính toán thiết kế kết cấu thép, tiêu chuẩn BS5950-1:2000 có xét tới

4 loại tiết diện (1,2,3,4), tuỳ theo khả năng phát triển biến dạng dẻo của tiết diệncấu kiện thép

Thiết kế khung ngang bao gồm thiết kế cột, dầm và liên kết giữa các cấukiện Do phơng pháp thiết kế là đàn hồi, đặc điểm cấu kiện dầm và cột trong nhàthép tiền chế là mảnh, không gia cố sờn, vì vậy khi xác định sơ bộ tiết diện ban

đầu ta nên lựa chọn các cấu kiện thuộc lớp tiết diện 3 (nửa đặc chắc) và lớp tiếtdiên 4 (mảnh)

4.1 Thiết kế cột

Ngoài lực nén dọc trục, cột còn chịu mô men uốn do tải trọng ngang hoặc do

độ lệch tâm của tải trọng đứng, hoặc do mô men nút cứng của khung Đối với cộttrong kết cấu sơ đồ tựa đơn giản, khi dầm đặt trên đỉnh cột, tải trọng dầm coi nh đặtvào mặt bên của cột về phía nhịp dầm Trờng hợp độ lệch tâm không biết chính xác,BS5950-1:2000 kiến nghị trị số lệch tâm là 100mm tính từ mặt cột

Cấu kiện chịu nén uốn phải đợc kiểm tra về khả năng chịu lực tại các điểm

có mô men và lực nén lớn nhất (BS gọi là kiểm tra khả năng chịu lực cục bộ), ví

dụ tại hai đầu Ngoài ra cần kiểm tra ổn định tổng thể của cột

4.1.1 Xác định chiều dài tính toán của cột

Chiều dài tính toán của cột khung có liên quan đến việc tính toán kiểm tra

ổn định Do cột làm việc theo hai phơng nên cần xác định chiều dài tính toántheo phơng ngang nhà (trong mặt phẳng khung) và phơng dọc nhà (ngoài mặtphẳng khung) Xét hai trờng hợp là cột tiết diện không đổi và cột vát

4.1.1.1 Với cột có tiết diện không đổi [14]

- Sự làm việc của cột phụ thuộc chủ yếu vào độ mảnh λ của nó Độ mảnh

của một cấu kiện đợc tính bằng :

r

L E

=

λ Trong đó: LE - chiều dài tính toán (hay chiều dài hữu hiệu);

r - bán tính quán tính của tiết diện.

- Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung của cột có tiết diện không

đổi xác định theo công thức: l X = à H (4.1)

Trong đó: H- chiều dài tính thực tế của cột, tính từ mặt móng đến đỉnh cột;

à - hệ số chều dài tính toán.

Bảng 4.1- Hệ số độ mảnh của các trờng hợp liên kết

Nhận xét : Chiều dài tính toán của cấu kiện chịu nén trong tiêu chuẩn BS5950-1:2000 lớn hơn so với lý thuyết vì có kể đến biến dạng của các liên kết ngàm thực tế (nút khung nửa cứng).

4.1.1.2 Với cột có tiết diện thay đổi tuyến tính theo chiều dài (cột vát) [11]

- Trong tiêu chuẩn BS 5950-1:2000 không có công thức xác định hệ sốchiều dài tính toán à đối với cột có tiết diện thay đổi

- Trong TCXDVN 338-2005 với cột có tiết diện thay đổi (cột vát), chiềudài tính toán lo đợc tính theo công thức:

lo=à.à1.lc (4.2)

Trong đó: lc - chiều dài hình học;

à - hệ số chiều dài tính toán nh trong trờng hợp tiết diện không đổi;

à1 - hệ số chiều dài tính toán bổ sung tra theo bảng D.7,

phụ lục D của TCXDVN 338-2005

Nhận xét : Bảng D.7, phụ lục D của TCXDVN338-2005 rất sơ sài, khó áp dụng đợc trong nhiều trờng hợp, vì vậy việc xác định hệ số chiều dài tính toán

- Để thuận lợi hơn trong việc xác định chiều dài tính toán của cột có tiếtdiện thay đổi, tác giả kiến nghị ngời đọc tham khảo và sử dụng tài liệu [11]

Dựa theo phơng pháp xác định chiều dài tính toán của từng đoạn cột củacột bậc (cột có nhiều đoạn khác nhau và mỗi đoạn có tiết diện không đổi)

l l AJ

i i i

Hình 4.1

Giả sử chia cột vát ra thành cột bậc với n đoạn có chiều dài bằng nhau l/n

nh hình vẽ Lực tới hạn làm cột vát mất ổn định là Fcr, lực tới hạn làm cột bậcmất ổn định là Fcr* Rõ ràng số đoạn chia càng lớn thì Fcr* sẽ càng tiến gần đếngiá trị chính xác là Fcr Nh vậy, ta có thể coi Fcr là lực tới hạn làm cột bậc nhiều

EJ F

i

i cr

à π

Gọi ài là hệ số chiều dài tính toán của cột vát theo tiết diện i

Và viết lại công thức Euler:

2

l

EJ F

i

i cr

i i

π

à =

Chiều dài tính toán của cột vát theo tiết diện i:

l = à.l

Bán kính quán tính của tiết diện i:

i

i i

Ai - diện tích của tiết diện i;

ri - bán kính quán tính của tiết diện i

Nh vậy, ta đã đa cột vát về cột giả định có tiết diện không đổi i có chiềudài khác nhng tơng đơng về mặt ổn định Với lập luận nh trên, ta có thể kiểm tra

ổn định của cột vát giống nh kiểm tra ổn định của cột có tiết diện không đổi theotiêu chuẩn BS 5950-1: 2000

4.1.2 Thiết kế kích thuớc tiết diện cột

Qúa trình thiết kế kích thớc tiết diện cột trong nhà thép tiền chế là quá

trình tính toán lặp Sau khi lựa chon sơ đồ tính phù hợp, nội lực trong khungngang đợc đợc xác định với các kích thớc tiết diện đợc giả thiết trớc sơ bộ và lấykết quả nội lực phân tích đợc để kiểm tra khr năng chịu lực của tiết diện vừa chịulực Nếu tiết diện thiếu hoặc thừa ứng suất thì cần có những điều chỉnh cần thiết

4.1.2.1 Xác định sơ bộ tiết diện cột

a Tiết diện chân cột

Tiết diện chân cột liên kết khớp có mômen bằng 0, về lý thuyết có thể cótiết diện rất nhỏ Tuy nhiên, do yêu cầu cấu tạo và ổn định tổng thể của cột -cũng nh định hình hoá các chi tiết liên kết, tiết diện chân cột trong thực tế thờng

có chiều cao không nhỏ hơn 20cm Chúng ta có thể tham khảo tiết diện chân cột

và bản mã (với nhà không có cầu trục) quy định trong tài liệu [15] trong việcchọn tiết diện ban đầu

Theo tài liệu [7], sử dụng chơng trình tính khung có tiết diện thay đổi

KHITCHE, để khảo sát một số nhịp khung thờng gặp (L=18m, 24m, 30m, 36m)ứng với một số điều kiện tải trọng và hình dáng (các khung sẽ đợc khảo sát vớigóc dốc mái thay đổi, và khảo sát ở một số vùng có áp lực gió khác nhau) Trêncơ sở đó đa ra độ vát hợp lý của cột, là độ vát sao cho các tiết diện thay đổi tơng

đối phù hợp với biểu đồ bao mômen, tiết kiệm vật liệu và thỏa mãn các yêu cầucấu tạo

- Gọi hL là chiều cao tiết diện lớn nhất tại đỉnh cột

h0 là chiều cao tiết diện nhỏ nhất tại chân cột

tỷ số γz = (hL - h0)/h0 là độ vát của cột

- Với các nhịp nhỏ từ 18m trở xuống, tổ hợp tĩnh tải + gió là tổ hợp lớn

hơn Biểu đồ bao mô men do vậy có hình dạng gần parabole Độ vát càng lớn thìcàng kinh tế, tuy nhiên ở các nhịp này, mô men đầu cột không lớn lắm, chiều caotiết diện lớn nhất ở đầu cột thờng không lớn hơn 50cm, nên để thỏa mãn các yêucầu cấu tạo của chân cột, độ vát γz không nên chọn lớn hơn 2,0

- Với các nhịp lớn hơn (24m trở lên), tổ hợp tĩnh tải + hoạt tải là tổ hợp

lớn hơn trên phần lớn các tiết diện cột (trừ đoạn sát chân cột) Độ vát thích hợp

là từ 2,0 đến 3,5, nhịp càng lớn thì độ vát kinh tế nhất càng lớn

4.1.2.2 Xác định nội lực tính toán của cột

Phân tích nội lực kết cấu với các trờng hợp tải trọng và tổ hợp tải trọng Tatiến hành với sự trợ giúp của các phần mềm phân tích kết cấu thông dụng hiệnnay (nh SAP, ETAB, STADD…) đa ra đợc các giá trị nội lực tại các tiết diện củaphần tử kết cấu.

4.1.3 Kiểm tra điều kiên cờng độ bền [12]

Tại mọi tiết diện của cột, tác động đồng thời của lực dọc và mô men đốivới hai trục chính không đợc vợt quá khả năng chịu lực của tiết diện cột

- Đối với tiết diện dẻo (lớp 1), tiết diện đặc (lớp 2) và tiết diện nửa đặc (lớp 3)Khả năng chịu lực của tiết diện đợc kiểm tra nh sau:

cy

y cx

x y g

c

M

M M

M p A

F

(4.3)

- Đối với tiết diện mảnh (lớp 4)

Khả năng chịu lực của tiết diện đợc kiểm tra nh sau:

cy

y cx

x y eff

c

M

M M

M p A

F

(4.4)Trong đó:

Fc - lực dọc trục tại tiết diện nguy hiểm;

Mx, My - mô men uốn đối với trục khỏe và trục yếu, xét trong vùng nguy hiểm;

Mcx, Mcy - khả năng chịu mô men uốn đối với trục khỏe và trục yếu khi không có lực dọc, xác định theo công thức (4.5) (4.6);

Ag - diện tích tiết diện ngang nguyên;

Aeff - diện tích hiệu dụng của tiết diện dẻo, xác định theo 4.1.3.3

4.1.3.1 Xác định M cx , M cy

Mcx= py Sx (4.5)

Mcy= py Sy (4.6)Trong đó : py - Cờng độ tính toán của vật liệu;

Sx - Môđun chống uốn dẻo đối với trục khoẻ;

Sy - Môđun chống uốn dẻo đối với trục yếu

4.1.3.2 Xác định diện tích hiệu dụng A eff

Diện tích hiêu dụng đợc xác định từ mặt cắt tính toán(theo hình 4.4).Chiều rộng tính toán của tiết diện 4(mảnh) của phần tử bụng lấy bằng 40ε lần bềdày, kèm theo hai phần cân bằng với tâm vùng không ảnh hởng Đối với bảncánh lấy bằng bề rộng lớn nhất của tiết diện 3

Hình 4.3- Diện tích tính toán khi chịu nén thuần túy

đối với tiết diện I tổ hợp hàn (dùng để xác định A eff ).

4.1.3.3 Xác định môđun chống uốn đàn hồi tính toán khi bản bụng mảnh Z eff

Với tiết diện 4 (mảnh), môđun chống uốn đàn hồi tính toán và diện tíchhiệu dụng có thể xác định theo công thức:

t b A

Z eff

/

15 ε

= (4.8)Trong đó: A - diện tích tiết diện ngang nguyên;

Aeff - diện tích hiệu dụng của tiết diện dẻo;

b - phần vơn ra của cánh tiết diện chữ I;

t - chiều dày của bản bụng tiết diện chữ I

4.1.4 Kiểm tra điều kiện ổn định tổng thể [12]

4.1.4.1 Với cột có tiết diện không đổi

Cột chịu nén và uốn thờng bị phá huỷ vì mất ổn định tổng thể Việc kiểmtra ổn định tổng thể là đạt nếu cả hai điều kiện sau đợc thoả mãn:

- Oằn chung quanh hai trục do lực dọc và do uốn:

1

≤+

+

y y

y y x

y

x x c

c

Z p

M m Z

p

M m P

+

y y

y y b

LT LT cy

c

Z p

M m M

M m P

MLT - mô men lớn nhất đối với trục khoẻ trên đoạn L, tơng ứng với Mb;

Mx - mô men lớn nhất đối với trục khoẻ trên đoạn Lx, tơng ứng với Pcx;

My - mô men lớn nhất đối với trục yếu trên đoạn Ly, tơng ứng với Pcy;

Pcx, Pcy - khả năng chịu nén, xét oằn chỉ theo trục khoẻ và trục yếu,xác định theo công thức (4.21) với tiết diện loại 1,2,3 và công thức(4.22) với tiết diện loại 4;

Pc - giá trị nhỏ của Pcx và Pcy;

Zx - mô đun chống uốn đàn hồi của tiết diện đối với trục khoẻ;

Zy - môđun chống uốn đàn hồi của tiết diện đối với trục yếu;

py - cờng độ tính toán của thép;

mLT, mx, my - là hệ số mômen tơng đơng khi oằn do oằn bên kèm xoắn đợc xác định theo bảng 4.5 và 4.6

Đối với tiết diện loại 4 (mảnh) môđun chống uốn đàn hồi tính toán Zeff đợcdùng thay thế cho Z

a Xác định mômen chịu oằn M b

- Với tiết diện ngang loại 3 (nửa đặc chắc):

Mb = pb.Zx (4.11) hoặc theo công thức

Mb = pb.Sx,eff (4.12)

- Với tiết diện ngang loại 4 (mảnh):

Mb = pb.Zx, eff (4.13) Trong đó: Mb - mômen độ bền chống sự oằn ngang;

pb - cờng độ chịu uốn, xác định theo phần b-4.1.4.1

b Xác định cờng độ chịu uốn pb

- Để tính pb thì ta phải xác định độ mảnh tơng đơng λLT

+ Đối với cấu kiện tiết diện I, độ mảnh tơng đơng λLT tính nh sau:

λLT = uνλβ0 , 5

w (4.14)Trong đó:

1

x

λ

x - chỉ số xoắn của tiết diện ngang

Đối với tiết diện I tổ hợp hàn với cánh đều:

x = D/T (4.16)

u = 1,0

Trong đó: D - chiều cao của tiết diện ;

T - chiều dày của bản cánh

Nếu Mb = pb.Sx, eff : βw = Sx,eff / Sx (4.18)

Với tiết diện ngang loại 4 (mảnh):

βw = Zx, eff / Sx (4.19)

- Nếu độ mảnh tơng đơng λLT không lớn hơn độ mảnh giới hạn λLO (theobảng 4.3) với cùng cờng độ thiết kế py, lúc đó lấy pb nh là py và không cần kiểmtra trờng hợp oằn do oằn bên kèm xoắn

Bảng 4.3 - Giá trị của λLO đối với thép hình cán nóng và tổ hợp hàn

y E

p p

p p

−+ φ2

1

LT E

E LT

p p p

λ

πη

=+

+

Với tiết diện hàn và λLT < λLO thì ηLT = 0

Để thuận tiện cho việc thực hành tính toán, cờng độ uốn pb đợc tra theo Bảng

1 - Phần phụ lục 3 của luận văn.

c Xác định khả năng chịu nén của cột P c

Khả năng chịu nén của cột Pc đợc xác định nh sau :

- Với tiết diện loại 1(dẻo), loại 2(đặc chắc) và loại 3 (nửa đặc chắc):

Pc = A.pc (4.21)

- Với tiết diện loại 4 (mảnh):

Pc = Aeff.pcs (4.22)

Trong đó: