Tính toán tiết diện hợp lý cho cấu kiện xà gồ mái nhẹ dùng thép thành mỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯƠNG HỒNG LỘC TÍNH TỐN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CHO CẤU KIỆN XÀ GỒ MÁI NHẸ DÙNG THÉP THÀNH MỎNG Chun ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình DD&CN Mã số : 60.58.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2015 Cơng trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH MINH SƠN Phản biện 1: GS TS Phạm Văn Hậu Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Quang Viên Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại Học Đà Nẵng vào ngày 22 tháng 08 năm 2015 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 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Kết cấu thép nhẹ, thành mỏng, tạo hình nguội nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi nhờ ưu việt nhờ trọng lượng nhẹ, cường độ cao, sản xuất tiên tiến, tự động suất cao Tuy nhiên, chế tạo từ phơi thép có bề dày mỏng, độ mảnh lớn, điều kiện làm việc chịu tải trọng gió, bão, lốc… xà gồ làm việc phức tạp, chịu uốn xiên, đồng thời chịu xoắn kiềm chế có khả ổn định tác dụng tải trọng lệch tâm, đặc biệt dạng tiết diện hở (chữ C, chữ Z…) Trong điều kiện Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép thành mỏng Luận văn nghiên cứu tìm hiểu làm việc, tính tốn tiết diện hợp lý cấu kiện thép thành mỏng, tạo hình nguội, áp dụng cụ thể cấu kiện xà gồ mái nhẹ, tiết diện hở (chữ Z) Dựa tiêu chí trọng lượng nhẹ mà đảm bảo khả chịu tải bền, ổn định độ võng nhằm đạt hiệu tốt ứng dụng kết cấu thép thành mỏng, tạo hình nguội xây dựng cơng trình Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu Phân tích rõ làm việc cấu kiện xà gồ CFS Nghiên cứu phương pháp tính tốn đặc trưng hình học, kiểm tra bền, ổn định độ võng cấu kiện xà gồ Xây dựng thuật tốn chương trình tính minh họa ví dụ số Khảo sát, so sánh khả chịu mơmen thiết kế để đánh giá ảnh hưởng hình thức tiết diện chữ Z; xác định tỷ lệ h/b Khảo sát phương án bố trí sườn biên sườn trung gian vị trí số lượng Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Xà gồ mái nhẹ thép thành mỏng, tạo hình nguội, tiết diện chữ Z với phương án gia công thêm sườn biên sườn trung gian Phạm vi nghiên cứu - Xà gồ thép thành mỏng làm việc theo sơ đồ dầm đơn giản; - Tiết diện hở chữ Z tiết diện đề xuất theo tiêu chí bề dày diện tích tiết diện có khả chịu mơmen lớn Phương pháp nghiên cứu Dựa sở lý thuyết kết cấu thép kết cấu thép thành mỏng, tạo hình nguội; lý thuyết ổn định thành mỏng; Áp dụng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép thành mỏng AS/NZS 4600:2005 để tính tốn đặc trưng hình học, kiểm tra tiết diện xà gồ theo trạng thái giới hạn (về bền, ổn định độ võng); Áp dụng minh họa kiểm chứng lý thuyết ví dụ số; Khảo sát chương trình tính tự lập từ tổng hợp, so sánh phân tích đánh giá kết Tình hình nghiên cứu, ứng dụng nước Năm 2001, Tiêu chuẩn Mỹ “Quy định kỹ thuật thiết kế cấu kiện thép thành mỏng, tạo hình nguội” (AISI) mở rộng phạm vi Bắc Mỹ Tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993 (Eurocode 3) có phần 1-3 quy định thiết kế kết cấu thép thành mỏng “EN 1993-1-3 Design of Steel Structures: Cold-formed thin gauge members and sheeting” Úc ban hành quy phạm AS/NZS 4600 gồm hai phiên 1996 2005 Hiện nay, kết cấu thép nhẹ sử dụng phổ biến giới Bố cục luận văn Gồm mở đầu, nội dụng kết luận Nội dung chương: Chương 1: Tổng quan cấu kiện xà gồ thép thành mỏng, tạo hình nguội cơng trình xây dựng Chương 2: Cơ sở phương pháp tính tốn cấu kiện xà gồ thép thành mỏng, tạo hình nguội Chương 3: Tính tốn khảo sát chọn tiết diện hợp lý cho xà gồ thép thành mỏng, tạo hình nguội CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN XÀ GỒ THÉP THÀNH MỎNG, TẠO HÌNH NGUỘI TRONG CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN THÉP THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI 1.1.1 Khái niệm chung Thuật ngữ “kết cấu thép thành mỏng, tạo hình nguội”( Thinwall/ Cold-formed Steel Structure, từ viết tắt CFS) để kết cấu thép có trọng lượng nhẹ, tiết diện mỏng, độ mảnh lớn (thinwall), chế tạo từ băng (tấm) thép cán nóng, cường độ cao phương pháp gia cơng nguội (cold-formed) Do đó, phương pháp tính tốn, thiết kế, thi cơng địi hỏi u cầu đặc trưng hoàn toàn khác với kết cấu thép thông thường 1.1.2 Những đặc trưng cấu kiện CFS - Tiết diện mỏng, trọng lượng nhẹ, hình thức tiết diện đặc biệt, sử dụng vật liệu thép cường độ cao, vật liệu có độ giãn dài lớn, phương pháp sản xuất công nghệ thi công đại Tuy nhiên, chi phí vật liệu cao, làm việc, liên kết tính tốn phức tạp - Tùy theo chu tuyến tiết diện, có hai loại: Tiết diện kín: Tiết diện hình hộp (chữ nhật, vng, trịn, ô van…) Tiết diện hở: Tiết diện chữ C, Z, U, T, chữ môn… 1.1.3 Ưu nhược điểm cấu kiện CFS a Ưu điểm b Nhược điểm 1.1.4 Phạm vi ứng dụng cấu kiện CFS Nhóm 1: Các cấu kiện chịu lực (dàn mái, dầm sàn, xà gồ,dầm ) Nhóm 2: Các phận chi tiết (cánh cửa, vách, hệ giằng ) 1.1.5 Phương pháp phòng gỉ chống ăn mòn 1.2 TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN XÀ GỒ TRONG HỆ MÁI 1.2.1 Tổng quan hệ mái cơng trình xây dựng a Hệ mái khơng có xà gồ b Hệ mái có xà gồ 1.2.2 Tổng quan cấu kiện xà gồ thép cán nóng 1.2.3 Tổng quan cấu kiện xà gồ thép thành mỏng a Vật liệu chế tạo b Phôi chế tạo c Phương pháp chế tạo Từ băng thép có tính học cần thiết tự động đưa qua dãy trục lăn máy cán gia công uốn nguội tạo hình dạng tiết diện 1.3 SỰ LÀM VIỆC CỦA CẤU KIỆN XÀ GỒ TRONG HỆ MÁI 1.3.1 Xà gồ thép cán nóng tiết diện chữ C 1.3.2 Xà gồ thép thành mỏng tạo hình nguội tiết diện chữ C, Z a Đối với xà gồ tiết diện chữ C b Đối với xà gồ tiết diện chữ Z - Liên kết vít xà gồ mái: Tiêu chuẩn Châu Âu (EC3): Có trường hợp tính tốn sau: Trường hợp lực qEd theo hướng dọc lực Trường hợp lực qEd theo hướng từ lên (gió bốc) Hình 1.20 Sơ đồ tính xà gồ liên kết vít với mái Tiêu chuẩn Úc AS/NZS 4600:2005 quan niệm chịu tải trọng gió bốc, cánh xà gồ chịu kéo, cánh chịu nén không giằng Quy phạm AS/NZS hướng dẫn đầy đủ phương pháp tính tốn xà gồ có lợp bắt vít vào cánh Luận văn áp dụng tính tốn tốn theo kiểu liên kết - Liên kết có mối nối đứng: Tấm lợp không liên kết vào xà gồ mà nhờ chi tiết ẩn kín sườn cao tấm, chi tiết cho phép lợp di chuyển xoay trượt Hệ giằng phận cần thiết để tạo kiềm chế bên kiềm chế xoắn cho xà gồ nhằm làm tăng khả chịu lực ổn định tổng thể Quy phạm AS/NZS 4600:2005 yêu cầu giằng ba trường hợp: - Trường hợp xà gồ có cánh liên kết vít với mái chịu gió bốc - Trường hợp cánh xà gồ liên kết vít với mái chịu tải trọng hướng xuống - Trường hợp khơng có cánh liên kết với liên kết với mối nối đứng KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương tổng hợp trình bày vấn đề tổng quan đặc trưng, làm việc cấu kiện thép thành mỏng, tạo hình nguội; hệ thống hóa, phân tích làm việc xà gồ tiết diện chữ C,Z (cán nóng cán nguội), hình thức giải pháp cấu tạo, liên kết xà gồ với mái vít tự khoan làm việc chịu tải trọng xà gồ hệ mái cơng trình để có sở tiếp tục nghiên cứu phương pháp tính tốn cấu kiện xà gồ thép thành mỏng chương CHƯƠNG CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN CẤU KIỆN XÀ GỒ THÉP THÀNH MỎNG, TẠO HÌNH NGUỘI 2.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN VÀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 2.1.1 Các phương pháp tính tốn a Phương pháp ứng suất cho phép (Allowable Stress Design - ASD) b Phương pháp tải trọng phá hoại (Load and Resistance Factor Design - LRFD) c Phương pháp trạng thái giới hạn (Limit State Design LSD) 2.1.2 Các tiêu chuẩn thiết kế a Tiêu chuẩn Mỹ: AISI-2001 b Tiêu chuẩn Anh Châu âu: BS-5900/EC3 c Tiêu chuẩn Trung Quốc: GB 50018-2002 d Tiêu chuẩn Úc Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu CFS Úc AS/NZS 4600:2005 “Kết cấu thép tạo hình nguội-Cold-formed steel structures” áp dụng Phương pháp LSD dùng chung cho Úc New Zealand thay cho AS/NZS 4600:1996 Luận văn áp dụng Tiêu chuẩn AS/NZS 4600:2005 tiêu chuẩn tiên tiến Việt Nam công ty chuyển giao công nghệ sản xuất, thi công kết cấu CFS đến từ Úc 2.2 TÍNH TỐN ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CẤU KIỆN CFS 2.2.1 Phân loại phần tử cấu kiện CFS 2.2.2 Xác định bề rộng hữu hiệu phần tử a Ổn định cục cấu kiện CFS b Cơng thức tổng qt tính bề rộng hữu hiệu (2.8) be = rb c Xác định hệ số bề rộng hữu hiệu Tùy theo loại phần tử tăng cứng, có trường hợp sau: - Phần tử tăng cứng chịu ứng suất nén phân bố æ 0,22 ỗ1 ữ f cr ổ f l ứ ỗ1 - 0,22 cr ữ hoc r = ố l f*ỗ f* ữ ố ứ r= (2.9) Trong ú l độ mảnh ứng suất f * : l= * f f cr f* kp E hoc l = 1,052 ổ b ỗ ữ = k ètø 12(1 - m )(b / t ) f* E (2.10) K = (phần tử tăng cứng theo hai cạnh dọc); E= 200000 MPa hay 20000 kN/cm2 Khi l £ 0,673, r = nghĩa là: be = b - Phần tử tăng cứng chịu ứng suất biến đổi tuyến tính Trong vùng ứng suất nén lớn, bề rộng hữu hiệu (be1): be1 = be -y (2.11) Trong vùng ứng suất nén lớn, bề rộng hữu hiệu (be2): be2 = be/2 y £ -0,236 be2 = be - bel y > -0,236 (2.12) (2.13) Trong đó: y thể phân bố ứng suất: y = f * / f1* k tính theo cơng thức: k = + 2(1 -y )3 + 2(1 -y ) (2.15) Nếu (bel + be2) lớn vùng nén bụng hữu hiệu hoàn toàn - Phần tử chịu nén không tăng cứng - Phần tử chịu nén đều, có sườn biên: có 03 trường hợp 1) Phần tử hữu hiệu hồn tồn (be=b) dù khơng có sườn biên; 2) Phần tử hữu hiệu hoàn toàn (be=b) với điều kiện sườn biên đủ cứng thân mép sườn biên không dài; 3) Phần tử hữu hiệu phần (be 0,674 : Mc= (2.40) M y æ 0, 22 ỗ1 ữ ld ố ld ứ (2.41) Tớnh mụmen tới hạn Mc = (Mc oằn uốn xoắn Mc oằn vặn cánh) b Kiểm tra ổn định (2.44) M * £ fb M b B 00 =0 B 00 =0 2.4 TÍNH TỐN LIÊN KẾT XÀ GỒ 2.4.1 Khả chịu nhổ 2.4.2 Khả chịu kéo thân vít 2.5 VÍ DỤ TÍNH TỐN - Tính tốn đặc trưng hình học tiết diện hữu hiệu xà gồ chữ Z - Tính tốn khả chịu mômen thiết kế xà gồ 3000 L=18000 y qy qx x z q Y qx qy x 180 x r= dse=12 ds=3,36 Y 20 70 B = 6000 y Hình 2.11 Mặt bố trí xà gồ sơ đồ tính tốn x 11 2.5.1 Số liệu tính tốn a Số liệu kích thước hình học tiết diện xà gồ: Z180x70x20x2 t=2mm; b=70mm; r=6mm; d=20mm; h=180mm b Đặc trưng học vật liệu fy = 34kN/cm2; E=20000kN/cm2; G= 8000kN/cm2 2.5.2 Xác định bề rộng hữu hiệu phần tử tiết diện xà gồ a Bề rộng hữu hiệu cánh nén: be = r b = 48, 06mm b Bề rộng hữu hiệu sườn biên: dse = d = 12 mm c Bề rộng hữu hiệu bụng: bew=be1+be2 = 118,85mm 2.5.3 Xác định đặc trưng hình học tiết diện hữu hiệu Mơmen qn tính tồn tiết diện hữu hiệu trục x: Iex = Idtb.t = 1592028,96.2 = 3184057,92 mm4 Mơmen kháng uốn tồn tiết diện hữu hiệu trục x: Zex = Iex /y1 = 3184057,92/ 93,59 = 34022,31 mm3 2.5.4 Tính tốn khả chịu mômen thiết kế tiết diện xà gồ a Khả chịu mômen thiết kế cường độ Msx* = fb Msx = 0,95 1156,68 = 1098,85 kNcm (lớn với trục x) b Khả chịu mômen thiết kế ổn định Mb*= fb Mb = 0,9 867,70 = 780,93 kN.cm (lớn với trục x) Kết hợp hai điều kiện cường độ ổn định, khả chịu mômen thiết kế theo trục x: Mx*=780,93 kN.cm 12 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương phân tích, làm rõ phương pháp tính tốn đặc trưng hình học tiết diện hữu hiệu xà gồ thép thành mỏng, tạo hình nguội, đặc biệt làm rõ phương pháp tính tốn xác định bề rộng hữu hiệu phần tử cánh, bụng sườn biên tiết diện xà gồ (chữ C Z); làm rõ phương pháp tính tốn kiểm tra tiết diện xà gồ chịu uốn xiên theo điều kiện cường độ, ổn định (oằn uốnxoắn oằn vặn cánh) độ võng theo tiêu chuẩn AS/NZS 4600:2005 Chương tính tốn kiểm chứng, minh họa làm rõ sở lý thuyết tính tốn cấu kiện xà gồ CFS ví dụ số để tính bề rộng hữu hiệu, đặc trưng hình học tiết diện tính tốn khả chịu mơmen thiết kế xà gồ tiết diện chữ Z Kết tính tốn sở để xây dựng thuật tốn, lập chương trình tính để làm cơng cụ khảo sát nghiên cứu tính toán tiết diện hợp lý cho cấu kiện xà gồ CFS chương CHƯƠNG TÍNH TỐN KHẢO SÁT CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CHO XÀ GỒ THÉP THÀNH MỎNG, TẠO HÌNH NGUỘI 3.1 XÂY DỰNG THUẬT TỐN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN CẤU KIỆN XÀ GỒ CFS 3.1.1 Xây dựng thuật tốn tính khả chịu mơmen thiết kế theo tiêu chuẩn AS/NZS 4600:2005 a Bước 1: Nhập số liệu b Bước 2: Tính bề rộng hữu hiệu phần tử chịu nén (be) c Bước 3: Tính đặc trưng hình học tiết diện hữu hiệu (Ie, Ze) d Bước 4: Tính khả chịu mơmen thiết kế e Bước 5: Kiểm tra tiết diện cấu kiện xà gồ CFS 13 3.1.2 Đặt vấn đề khảo sát tính toán Luận văn giải toán sau: Với bề dày (t,mm); diện tích tiết diện (A,mm2), cần phân bổ vật liệu hợp lý phần tử cánh, bụng xem xét việc cấu tạo gia công sườn tăng cường (sườn biên sườn trung gian) với kích thước cho khả chịu mơmen thiết kế tiết diện lớn đồng thời thỏa mãn điều kiện độ võng Để thiên an toàn, luận văn giả thiết xà gồ chưa giằng bên (xét đến khả oằn-uốn xoắn) mặt khác xét trường hợp xà gồ hệ mái chịu trải trọng gió bốc trường hợp bất lợi (xét đến khả ổn định oằn vặn cánh) Phạm vi nghiên cứu giới hạn khảo sát tiết diện xà gồ chữ Z sử dụng mối nối chồng làm việc theo sơ đồ dầm liên tục Luận văn giả thiết xét trường hợp tính tốn khả chịu mơmen thiết kế xà gồ theo trục x-x Trường hợp trục y-y: Về cường độ kết đạt phù hợp với quy luật làm việc theo trục x-x Về độ võng luận văn kiểm tra theo phương x-x y-y độ võng tương đương: D = D + D x y 3.2 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SƯỜN BIÊN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU MÔMEN CỦA XÀ GỒ 3.2.1 Đặt vấn đề Khả chịu mômen thiết kế tiết diện xà gồ phụ thuộc bề rộng hữu hiệu (be) phần tử cánh nén bụng (trong vùng ứng suất nén) Việc hợp lý hóa tiết diện phần tử cánh nén phụ thuộc vào mức độ tăng cứng phần tử, chịu ảnh hưởng đáng kể sườn biên Vấn đề cần khảo sát bố trí cấu tạo gia cơng sườn biên cho cánh nén? 3.2.2 Phương pháp tính tốn khảo sát Phương án ban đầu chọn xà gồ định hình tiết diện chữ Z (Z160x70x20x3) có bề dày t=3mm, diện tích tiết diện A=9,45 cm2 Dựa vào tiêu chí khả chịu mômen lớn nhất, tiến hành khảo sát 14 thay đổi phương án bố trí gia cơng sườn biên để tìm dạng tiết diện có lợi theo 04 phương án sau: - Phương án 1: Tiết diện chữ Z đối xứng, khơng có sườn biên (giữ nguyên bề rộng cánh (Z160x90x0x3 hình 3.1a) - Phương án 2: Tiết diện chữ Z đối xứng, có sườn biên cách giảm bề rộng cánh (Z160x70x20x3 hình 3.1b) - Phương án 3: Tiết diện chữ Z đối xứng, tăng bề rộng sườn biên cách giảm thêm bề rộng cánh (Z160x60x30x3 hình 3.1c) - Phương án 4: Tiết diện chữ Z không đối xứng (cánh lớn cánh trên) cách giảm bề rộng cánh trên, tăng bề rộng cánh có sườn biên (Z160x60/80x20x3 hình 3.1d) Thay đổi bề dày t=2mm; t=2,5mm t=3mm; dùng bảng tính EXCELL tự lập mục 3.1.1 để tính tốn, so sánh khả chịu mômen thiết kế 04 phương án gia công sườn biên cho tiết diện Hình 3.1 r= r= 90 y r= 70 y x x 60 y y 160 x 6 x 160 y 60 x 160 x 160 x 20 r= y 60 70 20 y 90 30 y x 80 y (a) (b) (c) (d) Hình 3.1 Các phương án bố trí cấu tạo sườn biên y 15 3.2.3 Kết khảo sát ảnh hưởng sườn biên Kết khảo sát Bảng 3.1 đồ thị minh họa Hình 3.2 Bảng 3.1 Khả chịu mơmen thiết kế phương án sườn biên Khả chịu mômen thiết kế Phương án bố trí sườn biên (kN.cm) PA Số hiệu xà gồ t=2mm t=2,5mm t=3mm Z160x90 423,47 649,41 875,87 Z160x70x20 579,51 812,23 1025,17 Z160x60x30 568,13 791,25 1014,97 Z160x60/80x20 518,63 764,42 985,58 Dựa vào Bảng 3.1 đồ thị Hình 3.2 nhận thấy: Trong phạm vi khảo sát (nhịp L=6m, bề dày t=2mm t=2,5mm t=3mm), phương án dùng tiết diện đối xứng, có sườn biên (Z160x70x20x3 Hình 3.1b) có khả chịu mômen thiết kế lớn Việc giảm bề rộng cánh chuyển sang cho sườn biên hiệu bề rộng sườn vừa phải, bố trí sườn biên lớn phương án (Hình 3.1c) khơng đạt hiệu cao phương án Vậy: Trong phạm vi khảo sát, phương án dùng tiết diện chữ Z, hở đối xứng, có sườn biên (Z160x70x20x3) hiệu Hình 3.2 Khả chịu mơmen thiết kế theo phương án sườn biên 16 3.3 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ (h/b) ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU MÔMEN CỦA XÀ GỒ 3.3.1 Đặt vấn đề Khả chịu mômen thiết kế tiết diện xà gồ phụ thuộc việc phân bố tỷ lệ h/b cho phần tử cánh (nén kéo) bụng Vấn đề cần khảo sát với tiết diện hợp lý mục 3.2 (chữ Z đối xứng, có sườn biên Hình 3.1b), tỷ lệ h/b có lợi cho tiết diện ? (khả chịu mômen thiết kế lớn ?) 3.3.2 Phương pháp tính tốn khảo sát Dựa vào kết mục 3.2, với diện tích tiết diện (A,mm2), thay đổi tỷ lệ (h/b) cánh bụng tiết diện chữ Z (160x70x20x3) so sánh khả chịu mômen thiết kế 07 phương án cột - Bảng 3.2 Thay đổi bề dày t=2mm; t=2,5mm t=3mm; dùng bảng tính EXCELL tự lập mục 3.1.1 để tính tốn, so sánh khả chịu mơmen thiết kế 07 phương án: Tỷ lệ h/b thay đổi với giá trị: 1,8; 2,0; 2,3; 2,6; 3,0; 3,5; 4,0 Thay đổi (h/b) từ 1,8÷2,0 (giảm bụng h, tăng cánh b) Thay đổi (h/b) từ 2,6÷4,0 (tăng bụng h, giảm cánh b) 3.3.3 Kết khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ h/b Kết khảo sát Bảng 3.2 đồ thị minh họa Hình 3.3 Bảng 3.2 Khả chịu mơmen thiết kế theo tỷ lệ h/b Phương án phân bổ tỷ lệ Khả chịu mômen thiết kế (h/b) (kN.cm) PA h/b Số hiệu xà gồ t=2mm t=2,5mm t=3mm 1,8 Z140x80x20 423,49 639,40 865,57 2,0 Z150x75x20 476,79 707,09 892,46 2,3 Z160x70x20 529,99 738,82 922,65 2,6 Z170x65x20 575,97 766,07 969,77 Z180x60x20 1015,10 3,0 594,98 788,38 Z190x55x20 580,79 787,90 3,5 1061,62 4,0 Z200x50x20 571,35 763,57 1037,65 17 Khi t=2mm t=2,5mm tỷ lệ (h/b) tăng từ 1,8÷3,0 khả chịu mơmen thiết kế tăng đạt giá trị lớn h/b = 3,0 Khi tỷ lệ (h/b) tăng tiếp từ 3,0÷4,0 khả chịu mômen thiết kế lại giảm Khi t=3mm, tỷ lệ (h/b) tăng từ 1,8÷3,5 khả chịu mơmen thiết kế tăng đạt giá trị lớn h/b = 3,5 Khi tỷ lệ (h/b) tăng tiếp từ 3,5÷4,0 khả chịu mơmen thiết kế lại giảm Vì đường cong khơng dốc mà thoải theo trục hồnh (h/b) nên thiết kế chọn tiết diện sai lệch tỷ lệ h/b từ 5-10% đạt hiệu yêu cầu Vậy: Ứng với bề dày t(mm), tồn giá trị tỷ lệ (h/b) hợp lý: - Khi t=2mm t=2,5mm: Chọn tỷ lệ h/b=3,0 - Khi t=3mm: Chọn tỷ lệ h/b=3,5 Hình 3.3 Khả chịu mơmen thiết kế theo phương án h/b 3.4 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG VỊ TRÍ CỦA SƯỜN TRUNG GIAN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU MÔMEN CỦA XÀ GỒ 3.4.1 Đặt vấn đề Như mục 3.1.1, khả chịu mômen thiết kế tiết diện xà gồ phụ thuộc bề rộng hữu hiệu (be) phần tử cánh nén bụng (trong vùng ứng suất nén) Việc hợp lý hóa tiết diện phần tử 18 cánh nén bụng phụ thuộc vào mức độ tăng cứng phần tử, chịu ảnh hưởng đáng kể khơng sườn biên mà phụ thuộc sườn trung gian Vấn đề cần khảo sát chọn vị trí gia cơng sườn trung gian cho cánh nén bụng ? 3.4.2 Phương pháp tính tốn khảo sát Dựa vào kết mục 3.3, với diện tích tiết diện (A,mm2), thay đổi vị trí sườn trung gian cánh nén bụng tiết diện Z (190x55x20x3) So sánh khả chịu mômen thiết kế 03 phương án Hình 3.4 Thay đổi bề dày t=2mm; t=2,5mm; t=3mm; dùng bảng tính EXCELL tự lập mục 3.1.1 để tính tốn Phương án 1: Sườn trung gian cánh; Phương án 2: Sườn trung gian bụng; Phương án 3: Sườn trung gian cánh bụng y y x y x 190 190 190 x 20 x y 55 20 x y 55 20 55 x y (a) (b) (c) Hình 3.4 Các phương án khảo sát theo vị trí sườn trung gian 3.4.3 Kết khảo sát ảnh hưởng vị trí sườn trung gian Kết khảo sát Bảng 3.3 đồ thị minh họa Hình 3.4 Bảng 3.3 Khả chịu mơmen thiết kế theo vị trí sườn trung gian Khả chịu mômen thiết kế Phương án vị trí sườn trung gian (kN.cm) PA Vị trí sườn trung gian t=2mm t=2,5mm t =3mm Trên cánh 682,24 902,26 1106,59 Trên bụng 799,78 1066,74 1329,27 Trên cánh bụng 835,19 1110,46 1378,40 19 Trong phạm vi khảo sát (L=6m; t=2mm;t=2,5mm t=3mm), phương án 3: Vị trí sườn trung gian cánh bụng (như Hình 3.5c) có khả chịu mơmen lớn Trường hợp bố trí 01 sườn phương án 2: Vị trí sườn trung gian bụng hiệu phương án sườn trung gian cánh Vậy: Vị trí sườn trung gian cánh bụng bụng (trường hợp gia công 01 sườn) hợp lý Hình 3.5 Khả chịu mơmen thiết kế theo vị trí sườn trung gian 3.5 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG SỐ LƯỢNG CỦA SƯỜN TRUNG GIAN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU MÔMEN CỦA XÀ GỒ 3.5.1 Đặt vấn đề Như mục 3.4, phương án bố trí 02 sườn (01 sườn cánh 01 sườn bụng Hình 3.4c) cho kết lợi so với hai phương án bố trí 01 sườn (01 sườn cánh Hình 3.4a 01 sườn bụng Hình 3.4b) Điều cho thấy, khả chịu mơmen thiết kế tiết diện xà gồ không phụ thuộc vị trí sườn trung gian mà cịn phụ thuộc số lượng sườn trung gian ? Vấn đề cần khảo sát ảnh hưởng số lượng sườn trung gian đến khả chịu mômen thiết kế xà gồ ? 3.5.2 Phương pháp tính tốn khảo sát Với diện tích tiết diện (A,mm2), thay đổi số lượng sườn trung gian cánh nén bụng tiết diện chữ Z (190x55x20x3) khơng đổi có tỷ lệ h/b hợp lý 3,5 So sánh khả chịu mômen thiết kế 03 phương án Hình 3.6 Thay đổi bề dày t=2mm; t=2,5mm 20 t=3mm; dùng bảng tính EXCELL tự lập mục 3.1.1 Phương án 1: 02 sườn trung gian (01 sườn cánh, 01 sườn bụng) Phương án 2: 03 sườn trung gian (01 sườn cánh, 02 sườn bụng) Phương án 3: 04 sườn trung gian (01 sườn cánh, 03 sườn bụng) y y 20 x 190 190 190 x x x y 55 20 20 x y y 55 55 x y (a) (b) (c) Hình 3.6 Các phương án khảo sát theo số lượng sườn trung gian 3.5.3 Kết khảo sát ảnh hưởng số lượng sườn trung gian Kết khảo sát Bảng 3.4 đồ thị minh họa Hình 3.5 Bảng 3.4 Khả chịu mômen theo số lượng sườn trung gian Phương án số lượng Khả chịu mômen thiết kế sườn trung gian (kN.cm) PA Số lượng sườn trung gian t=2mm t=2,5mm t =3mm 02 sườn trung gian 835,19 1110,46 1378,40 03 sườn trung gian 847,56 1130,02 1403,71 04 sườn trung gian 856,23 1139,86 1412,66 Trong phạm vi khảo sát (L=6m; t=2mm;t=2,5mm t=3mm), phương án có 04 sườn trung gian cánh bụng (như Hình 3.6c) có khả chịu mơmen lớn Số lượng sườn nhiều mơmen lớn nhiên tùy u cầu thiết kế khả thay đổi máy cán để lựa chọn phương án phù hợp Việc tăng thêm số lượng sườn cần bố trí bụng kết khảo sát chọn tỷ lệ h/b 21 yêu cầu bụng có chiều cao lớn nhiều so với bề rộng cánh nên dễ bố trí sườn Hình 3.7 Khả chịu M thiết kế theo số lượng sườn trung gian Vậy: Số lượng sườn trung gian cánh hợp lý 01; bụng tùy theo yêu cầu thiết kế nên bố trí số lượng sườn đủ lớn để đạt M lớn 3.6 SO SÁNH HIỆU QUẢ VỀ KHẢ NĂNG CHỊU MÔMEN THIẾT KẾ CỦA PHƯƠNG ÁN TIẾT DIỆN XÀ GỒ HỢP LÝ ĐỀ XUẤT SO VỚI PHƯƠNG ÁN TIẾT DIỆN ĐỊNH HÌNH Vấn đề đặt cần so sánh định lượng (%) gia tăng mômen thiết kế phương án tiết diện hợp lý đề xuất so với phương án ban đầu Z160x70x20x3 Bảng 3.5 So sánh hiệu phương án đề xuất với phương án ban đầu Vị trí M (kN.cm) % PA Số hiệu xà gồ Số lượng Z160x70x20x3 0 1025,17 (02 sườn biên) Z190x55x20x3 02 01 cánh 1378,40 34,5 (02 sườn biên) 01 bụng Z190x55x20x3 03 01 cánh 1403,71 36,9 (02 sườn biên) 02 bụng Z190x55x20x3 04 01 cánh 1412,66 38,2 (02 sườn biên) 03 bụng 22 KẾT LUẬN CHƯƠNG - Chương hệ thống sở phương pháp tính tốn kiểm tra tiết diện xà gồ CFS thành thuật tốn lập chương trình tính làm cơng cụ khảo sát theo mục tiêu nghiên cứu Luận văn Chương trình tính nâng cấp, hồn thiện giao diện phạm vi khảo sát tính tốn phù hợp để làm công cụ thiết kế - Sử dụng chương trình tự lập, Luận văn khảo sát phương án lựa chọn tiết diện hợp lý cho xà gồ CFS, kết đạt sau: Chọn tiết diện chữ Z đối xứng (cánh cánh dưới) có tỷ lệ h/b tùy thuộc bề dày t(mm) sau: + Khi t=2mm t=2,5mm: Chọn tỷ lệ h/b=3 tương ứng số hiệu (Z180x60x20x3) + Khi t=3mm: Chọn tỷ lệ h/b=3,5 tương ứng số hiệu (Z190x55x20x3) - Việc gia công thêm sườn biên sườn trung gian tiết diện chữ Z làm tăng đáng kể khả chịu mômen thiết kế, kết khảo sát sau: + Bố trí sườn biên: Có tác dụng gia tăng bề rộng hữu hiệu cho cánh nén bố trí 02 sườn biên đối xứng với bề rộng sườn biên ds=20mm + Bố trí sườn trung gian: Có tác dụng gia tăng bề rộng hữu hiệu cho cánh nén bụng: Bố trí 01 sườn trung gian cánh nén Bố trí từ 01, 02 03 số lượng sườn trung gian bụng tùy theo yêu cầu thiết kế - Trong phạm vi khảo sát, hiệu đạt làm tăng đáng kể giá trị mômen thiết kế phương án tiết diện đề xuất (phương án 1,2,3 Bảng 3.5; mục 3.6) so với phương án tiết diện định hình ban đầu từ 34,5% ÷ 38,2% 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đánh giá chung Luận văn hoàn thành mục tiêu nghiên cứu đề ra, kết đạt sau: - Hệ thống hóa, phân tích làm rõ làm việc cấu kiện xà gồ thép thành mỏng, tạo hình nguội (tiết diện C, Z) - Bài tốn ổn định tổng thể oằn uốn xoắn (khi giằng bên không đảm bảo) oằn vặn bên (khi xà gồ chịu gió bốc) liên kết vít xà gồ mái xét đầy đủ - Áp dụng tiêu chuẩn AS/NZS 4600: 2005 để tính tốn kiểm tra tiết diện cấu kiện xà gồ CFS Minh họa làm rõ kiểm chứng phương pháp tính ví dụ số - Xây dựng thuật tốn chương trình tính làm công cụ khảo sát, thiết kế - Khảo sát đề xuất chọn tiết diện hợp lý cho xà gồ tiết diện chữ Z dùng thép thành mỏng, tạo hình nguội, cụ thể phạm vi khảo sát: + Chọn tiết diện chữ Z đối xứng, với tỷ lệ h/b hợp lý tùy theo bề dày t(mm) sau: Khi t=2 2,5mm tỷ lệ h/b=3; Khi t=3mm tỷ lệ h/b=3,5 + Để tăng khả chịu mômen thiết kế đề xuất gia công sườn tăng cứng phần tử cách gập mép để có 01 sườn biên (bề rộng ds=20mm) cánh nhấn sóng để có 02-04 sườn trung gian (trong có 01 sườn trung gian cánh nén 01-03 sườn trung gian bụng) + Các phương án dùng hiệu chỉnh làm tăng khả chịu mômen thiết kế từ 34,5% ÷ 38,2% so với tiết diện định hình ban đầu cho thấy hiệu đạt kết tính tốn 24 Kết luận - Hệ mái có cấu kiện xà gồ thép thành mỏng tạo hình nguội cần xem xét, ứng dụng rộng rãi có nhiều ưu việt (hình dạng gọn, linh hoạt, dề lưu kho, lắp dựng; kích thước mảnh, trọng lượng nhẹ; có số lượng lớn sản xuất dây chuyền đại cho suất đạt hiệu cao - Tính tốn chọn tiết diện hợp lý cho xà gồ mái nhẹ cần dựa tiêu chí đảm bảo điều kiện cường độ, độ võng ổn định (tùy theo sơ đồ làm việc liên kết xà gồ) đồng thời có trọng lượng thép nhỏ Việc chọn tỷ lệ h/b hợp lý kết hợp với phương án gia công sườn phần tử cần tăng cứng (sườn biên/sườn trung gian) phù hợp (về kích thước, số lượng, vị trí) cho khả chịu mômen thiết kế lớn Kiến nghị - Trong điều kiện Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế thép thành mỏng, kiến nghị sử dụng AS/NZS 4600: 2005 (ÚcNewzealand) hoàn toàn phù hợp - Tiếp tục đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng chuyển giao thiết bị công nghệ sản xuất xà gồ mái nhẹ thép thành mỏng, tạo hình nguội cơng trình xây dựng Việt Nam - Nghiên cứu ban hành tiêu chuẩn Việt Nam thiết kế kết cấu thép thành mỏng, tạo hình nguội Hướng phát triển để tài - Nghiên cứu thực nghiệm ổn định oằn vặn cánh xà gồ với dạng tiết diện chữ C chữ Z - Hoàn thiện phần mềm thiết kế xà gồ CFS bảng tra phù hợp môđun vật liệu thép Việt Nam ... gồ mà nhờ chi tiết ẩn kín sườn cao tấm, chi tiết cho phép lợp di chuyển xoay trượt Hệ giằng phận cần thiết để tạo kiềm chế bên kiềm chế xoắn cho xà gồ nhằm làm tăng khả chịu lực ổn định tổng... thép tạo hình nguội-Cold-formed steel structures” áp dụng Phương pháp LSD dùng chung cho Úc New Zealand thay cho AS/NZS 4600:1996 Luận văn áp dụng Tiêu chuẩn AS/NZS 4600:2005 tiêu chuẩn tiên tiến... làm cơng cụ khảo sát nghiên cứu tính tốn tiết diện hợp lý cho cấu kiện xà gồ CFS chương CHƯƠNG TÍNH TỐN KHẢO SÁT CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CHO XÀ GỒ THÉP THÀNH MỎNG, TẠO HÌNH NGUỘI 3.1 XÂY DỰNG THUẬT