Kết cấu thép thanh thành mỏng tạo hình nguội

Kết cấu thép thanh thành mỏng tạo hình nguội

1.3 Ứng dụng kết cấu thép thành mỏng trong và ngoài nước : 5

1.3.1 Một số hình ảnh ứng dụng kết cấu thép thành mỏng trong nước : 51.3.2 Một số hình ảnh ứng dụng kết cấu thép thành mỏng nước ngoài : 6

1.4 Các công nghệ chế tạo kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội trong và ngoài nước :

2.2.4 Cấu kiện thép thành mỏng chịu kéo - uốn; nén uốn: 17

2.3 Các công nghệ chế tạo, chống rỉ và ăn mòn kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội

2.4.1 Tính toán đặc trưng tiết diện thép thành mỏng: 212.4.2 Tính toán đặc trưng hình học quạt của tiết diện thép thành mỏng hở: 22

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÀNH MỎNG

TẠO HÌNH NGUỘI 1.1 Khái niệm kết cấu thép thanh thành mỏng tạo hình nguội :

- Kết cấu thép thành mỏng thường được chế tạo từ thép tấm mỏng tạo hình nguội

- Kết cấu thanh thành mỏng là một dạng thanh, tức là có kích thước một phươnglớn hơn rất nhiều so với 2 phương còn lại

Hình 1-1: Kết cấu một thanh thành mỏng

- Ở hình 1 biểu diễn một thanh thành mỏng, thanh này có bề dày δ rất bé so vớichu tuyến S (đường trung bình của mặt cắt ngang) và S này lại rất bé so vớichiều dài l của thanh Loại kết cấu thanh thành mỏng này có ưu việt ở chỗ làtrọng lương nhỏ nhưng chịu lực lớn cho nên nó được sử dụng trong kết cấu máybay, tàu thuỷ, ô tô, tàu hoả, một số công trình xây dựng và cầu

- Kết cấu thép thanh thành mỏng sử dụng các hình thức tiết diện đặc biệt đượcchuẩn hóa theo hình dạng, môđun nhất định thuận tiện cho vận chuyển, lưu kho,lắp dựng, sử dụng các phương pháp liên kết khác với kết cấu thép thông thường

Hình 1-2: Một số hình dạng của kết cấu thép thanh thành mỏng

Trang 3

+ Thanh thành mỏng phải được thực hiện với số lượng lớn cho cùng chủng loạitiết diện và được sử dụng lặp đi lặp lại cho nhiều kết cấu.

+ Giá thành chế tạo cao nên phải thực hiện bằng dây chuyền, thiết bị hiện đạimang tính cơ giới và tự động cao

+ Kết cấu thép nhẹ được lắp đặt nhanh và dễ dàng nhưng để tiết kiệm kinh phíchế tạo cần được mođul hóa cho từng thanh Do đó yêu cầu nhân công lắp đặtphải chuyên nghiệp trong lĩnh vực lắp đặt

* Ưu điểm của thép thành mỏng:

- Giảm trọng lượng (25-50)% nên tiết kiệm được vật liệu

- Lắp dựng nhanh do cơ giới hóa, đặc biệt đối với dàn mái không gian khi thiết

- Hình dạng tiết diện có nhiều ưu việt về mặt chịu lực do sự phân bố vật liệu hợp

lý, đặc biệt khi sử dụng các dạng có tiết diện kín, đối xứng

- Cường độ thép cao hơn nhờ cán nguội

- Sử dụng tiết diện kín tạo vẽ đẹp kết cấu, giảm che lấp diện tích kính lấy sáng

* Nhược điểm của thép thành mỏng:

- Giá thành chế tạo cho một đơn vị thép thành mỏng cao hơn do phải dùng théptấm cán nóng rồi mới gia công uốn nguội

- Bề mặt tiếp xúc lớn nên chi phí bảo vệ bề mặt (chống gỉ) cao

- Yêu cầu công nghệ cao khi chế tạo

- Việc vận chuyển, bốc xếp, lắp dựng tuy nhanh nhưng cần yêu cầu biện pháp vàthiết bị riêng vì cấu kiện dễ bị hư hại, biến hình

- Việc thiết kế khó khăn hơn vì sự làm việc phức tạp của cấu kiện Tiết diện cấukiện được chọn tự do nên không có bảng tính sẵn

Trang 4

- Hạn chế sử dụng trong môi trường không khí và nước biển.

- Việc tiêu chuẩn hoá cao sẽ dẫn đến làm tăng lượng thép, vì có những trườnghợp vật liệu chưa làm việc hết khả năng, nhưng không có nghĩa là bất lợi vềkinh tế

1.3 Ứng dụng kết cấu thép thành mỏng trong và ngoài nước :

1.3.1 Một số hình ảnh ứng dụng kết cấu thép thành mỏng trong nước :

Hình 1-3: Lắp ráp các kết cấu tại nhà máy lắp ráp ô tô TCIE Đà Nẵng

Trang 5

1.3.2 Một số hình ảnh ứng dụng kết cấu thép thành mỏng nước ngoài :

Hình 1-4: Khung nhà công nghiệp một tầng bằng thép thành mỏng tạo hình nguội

Hình 1-5: Khung nhà nhiều tầng bằng thép thành mỏng tạo hình nguội

Trang 6

Hình 1-6: Khung nhà dân dụng một tầng bằng thép thành mỏng tạo hình nguội

1.4 Các công nghệ chế tạo kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội trong và ngoài nước :

- Dùng phương pháp gia công nguội, có thể làm được cấu kiện thành mỏng màkhông thể dùng phương pháp cán nóng ; cấu kiện này có bề mặt nhẵn, có thểquét ngay sơn bảo vệ lên ; cường độ thép được tăng lên Các phương pháp : gấpbằng máy gấp mép ; dập khuôn bằng máy ép và cán liên tục

1.4.1 Máy gấp mép :

- Thân máy gồm hai thớt, thớt dưới gắn thước tạo hình bên dưới, thớt trên cốđịnh gắn thước tạo hình bên trên và kẹp chặt bản thép Thớt dưới đi lên, gấpmép và tạo góc cho bản thép Thay đổi thước tạo hình thì tạo được các hìnhdạng khác nhau Phải nhiều động tác mới tạo được hình hoàn chỉnh, ví dụ, hìnhmáng sau đây cần 6 động tác

Trang 7

Hình 1-7: Máy gập mép 1-Dầm gấp đặt dưới ; 2- Vít chỉnh thước gấp ;3-Đối trọng; 4-Dầm tạo hình; 5-Bánh xe di chuyển dầm để ép bản thép; 6-Thước tạo hình dưới; 7-Thước tạo hình trên; 8-Dầm ép;

9-Bản thép; 10-Bệ chặn.

- Cách chế tạo này có nhược điểm sau :

+ Năng suất thấp, nhiều thao tác ;

+ Độ chính xác kém ;

+ Chỉ gập được bản thép dày không quá 3mm, chiều dài không quá 6 m

- Đồng thời giá thiết bị rẻ, dễ có Có thể đạt được nhiều hình dạng bằng việc thayđổi dễ dàng thước tạo hình Công nghệ này thích hợp với việc sản xuất theo quy

mô nhỏ, nhiều loại hình khác nhau

1.4.2 Máy ép khuôn :

- Máy dùng cho dây chuyền sản xuất hàng loạt nhỏ Máy gồm có thân máy, bànmáy, dầm ép Khuôn cối tạo hình đặt trên bàn máy Dầm ép ở bên trên đixuống, có gắn chày tạo hình Lực ép từ 40 đến 150 tấn, ép trên toàn bộ chiềudài thanh (Hình 9.13)

Trang 8

- Phương pháp này có thể tạo được thanh dài tới 6 m, rộng 250 - 500mm, dày tới

16 mm Bằng cách di chuyển dải thép theo chiều dài, có thể làm được thanh dàitới 12 m, tất nhiên với các sai lệch về kích thước tiết diện, về độ phẳng của mặt

Để tạo được một tiết diện, cũng phải nhiều nguyên công : mỗi lần ép chỉ tạođược một góc Do đó năng suất thấp, khó cơ giới hoá toàn bộ

- Ưu điểm của phương pháp : thay thế các khuôn tạo hình giá rẻ, có thể tạo đượcnhiều hình dạng Có lợi khi sản xuất hàng loạt nhỏ, đặc biệt hay được dùng đểchế tạo các cấu kiện không điển hình

Hình 1-8: Máy ép khuôn

1.4.3 Máy cán trục lăn :

- Đây là loại máy năng suất cao nhất, dùng ở các nhà máy luyện kim, nhà máysản xuất hàng loạt lớn Máy gồm một dãy các trục cán, có hình dạng khác nhau(hình 9.14) Dải thép đi qua các trục cán, dần dần được thay đổi hình dạng Cóthể cán được dải thép dày 0,3 đến 18 mm, rộng 20 đến 2000 mm Tốc độ cán 10đến 30 m/phút

- Loại máy có năng suất cao, sử dụng ít nhân công, mỗi năm có thể sản xuất hàngtriệu mét cấu kiện Tuy nhiên mỗi bộ trục cán chỉ dùng cho một loại tiết diện ,muốn đổi tiết diện phải thay đổi trục cán, do đó giá thành cao Hiện nay ở ViệtNam , bên cạnh các máy cán lớn của các công ty nước ngoài, nhiều công ty nhỏtrong nước cũng đã có nhiều máy cán, sản xuất hàn loạt tiết diện thành mỏng,ống có mối hàn để sử dụng trong xây dựng

Trang 9

Hình 1-9: Máy cán trục lăn

1.5 Công nghệ chống rỉ, chống ăn mòn:

1.5.1 Biện pháp cấu tạo:

- Lựa chọn dạng tiết diện chống ăn mòn cao: Cao nhất là thiết diện ống, gấp 2 lần

so với tiết diện thép góc Dầm tiết diện hộp chống ăn mòn tốt hơn dầm I Tiếtdiện bụng đặc chống ăn mòn tốt hơn tiết diện rỗng

- Áp dụng nguyên tắc tập trung vật liệu: Tăng bước kết cấu lên dể làm tiết diệnkết cấu lớn hơn, thành dày hơn để chống ăn mòn tốt hơn, giảm bớt lượng sơnbảo vệ

- Chọn vật liệu chống rỉ cao như thép hợp kim thấp

- Tìm các giải pháp cấu tạo để cấu kiện không tích bụi, tích ẩm ví dụ đặt nghiêngdốc, tạo các lỗ thoát nước

- Chú ý tránh để kết cấu thép thành mỏng tiếp xúc với vật liệu xây dựng có chứathạch cao, clorua magie, xỉ than…vì sẽ bị ăn mòn nhanh

- Đối với cấu kiện mà không thể sơn lại được sau khi lắp thì phải dùng phươngpháp bảo vệ cao hơn: mạ hoặc sơn lót hai lần và sơn mặt hai lần.

1.5.3 Tạo lớp phủ kim loại:

- Tốt nhất là mạ kẽm, tuy nhiên khó thực hiện được cấu kiện lớn thường sử dụngbiện pháp thuận tiện hơn là phun lớp kẽm phủ

- Các kết cấu thành mỏng hiện đại phần lớn sử dụng biện pháp mạ

1.5.4 Dùng lớp phủ vật liệu tổng hợp:

- Bằng cách phun quét lên thép vật liệu nhiệt dẻo lỏng, hoặc dán lên những băngdính Bề dày lớp vỏ từ 0,02 đến 0,4mm; bên trên còn lớp sơn để bảo vệ khi vậnchuyển dựng lắp

- Việc phủ thực hiện trên tấm thép rộng, sau đó cắt ra thành băng hẹp để manguốn nguội Mép của các băng cũng cần được bảo vệ thêm bằng sơn

Trang 11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KIỂM TRA KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI ( SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN AS/NZS 4600)

2.1 Khái niệm chung về kết cấu thép thanh thành mỏng tạo hình nguội : 2.1.1 Khái niệm :

- Kết cấu thép nhẹ bao gồm các hệ thống kết cấu thép xây dựng có trọng lượngnhẹ hơn kết cấu thép thông dụng Nó được tạo nên nhờ chế tạo từ thép tấmmỏng tạo hình nguội gọi là kết cấu thép thanh thành mỏng hay kết cấu thép uốnnguội

+ Sử dụng các phương pháp liên kết không dùng trong kết cấu thường.

- Đặc điểm quan trọng nhất là sử dụng các thanh thép tạo hình nguội từ các

tấm thép mỏng, sau này ta sẽ gọi là thanh thành mỏng hoặc thép hình uốn

nguội Bên cạnh các loại thép hình cán nóng thông thường, hiện nay các

nước đã chế tạo rộng rãi thép hình uốn nguội Việc sử dụng thanh thành mỏng tạo ra một cách tiếp cận khác của kết cấu thép trong mọi giai đoạn xây dựng : thiết kế, chế tạo, dựng lắp

2.1.3 Ưu và nhược điểm :

- So với kết cấu thép thông thường, kết cấu bằng thanh thành mỏng có một loạt các ưu và khuyết điểm sau :

a) Ưu điểm :

- Giảm lượng thép từ 25 - 50% ; về lí thuyết có thể giảm nhiều hơn nữa nhưng sẽ kèm theo khó khăn tốn kém về chế tạo, và không còn kinh tế nữa ;

- Dựng lắp nhanh, ví dụ tới 30% đối với mái nhà ; đối với cấu kiện có các thanh và nút thống nhất hoá như dàn mái không gian thì còn nhanh hơn nhiều nữa ;

- Hình dạng tiết diện được chọn tự do, đa dạng theo yêu cầu ;

- Đặc trựng chịu lực của tiết diện là có lợi, do sự phân bố vật liệu hợp lí, nhất là khi dùng tiết diện kín ;

Trang 12

- Dùng tiết diện kín tạo vẻ đẹp kết cấu; bớt che lấp diện tích kính lấy ánh sáng.

b) Nhược điểm :

- Giá thành thép uốn nguội cao hơn thép cán nóng ;

- Chi phí phòng gỉ cao hơn, vì bề mặt của tiết diện thép lớn hơn, cần nhiều diện tích phủ bảo vệ.

- Việc vận chuyển, bốc xếp dựng lắp tuy nhanh chóng nhưng đòi hỏi những biện pháp và phương tiện riêng vì cấu kiện dễ bị hư hại ;

- Việc thiết kế khó khăn hơn vì sự làm việc phức tạp của cấu kiện Tiết diện cấu kiện được chọn tự do nên không có bảng tính toán sẵn.

- Sử dụng thanh thành mỏng đương nhiên giảm nhẹ trọng lượng kết cấu, tiết kiệm vật liệu nhưng không hẳn có nghĩa là kinh tế hơn Tiết diện thanh thép uốn nguội đắt hơn thép cán nhiều (có thể tới 30%) vì phải dùng thép tấm mỏng cán nóng và gia công uốn nguội

- Các hãng sản xuất thanh thành mỏng hiện nay đều cố gắng tiêu chuẩn hoá

và điển hình hoá cao độ các loại tiết diện Một tiết diện thành mỏng có thể được áp dụng cho nhiều loại nhà có công dụng khác nhau và sơ đồ kết cấu khác nhau Tất nhiên là tiêu chuẩn hoá cao sẽ dẫn đến làm tăng lượng thép, vì có những trường hợp vật liệu chưa làm việc hết khả năng, nhưng không có nghĩa là bất lợi về kinh tế Việc tiêu chuẩn hoá các cấu kiện nhẹ

sẽ cho phép : giảm sự đa dạng của tiết diện, nên tăng số lượng sản xuất hàng loạt ; nghiên cứu những nút liên kết thống nhất, giảm công chế tạo

và dựng lắp

2.1.4 Phân loại :

- Phạm vi ứng dụng của có lợi của kết cấu thanh thành mỏng phụ thuộc vào cácđiều kiện cấu tạo (chế tạo, phòng gỉ v.v ), điều kiện chịu lực (tải trọng, tínhnăng vật liệu v.v ), các chỉ tiêu kinh tế, điều kiện sử dụng và yêu cầu thẩm mĩ

- Phân biệt hai phạm vi sử dụng chính của thanh thành mỏng:

 Nhóm 1: Các chi tiết và bộ phận kiến trúc

 Nhóm 2: Các bộ phận kết cấu chịu lực

- Nhóm 1 gồm các bộ phận và chi tiết như: khuôn của và cánh cửa các loại, cổng,các cấu kiện của tường bao che, vác ngăn di động, cầu thang, cửa trời, và cáckết cấu tương tự Các cấu kiện nhóm này thường được áp dụng trong các loạinhà dân dụng, nhà kho, nhà xưởng, chuồng trại, nhà triển lãm, các công trìnhtháo lắp v.v

Trang 13

Hình 2-10: Các bộ phận chi tiết cửa dùng thép thanh thành mỏng

- Nhóm 2 gồm các kết cấu chịu lực hoàn toàn bằng thanh thành mỏng, hoặcthanh thành mỏng kết hợp với vật liệu khác như thép cán nóng, bê tông, gỗ, kếtcấu thanh thành mỏng được áp dụng trong các loại dàn mái nhà, dầm sàn nhà,các cấu kiện thứ yếu làm kết cấu bao che như xà gồ, dầm tường, xà gồ rỗngnhịp tới 12m, khung nhà dân dụng và công nghiệp, dàn mái không gian, vỏmỏng

2.1.5 Các dạng cấu kiện tạo hình nguội :

Bằng cách gập nguội, có thể tạo từ tấm thép mỏng tiết diện hình bất kì Tiết diện đượcchia ra loại hở như chữ C, chữ L, chữ U và loại kín như ống, hộp Hàn các tiết diệnđơn với nhau có thể tạo nên tiết diện phức hợp Bề dày của thành tiết diện là khôngđổi, trừ một số chỗ có thể là bề dày gấp đôi do gập bản thép lại Cấu kiện dạng thanhdùng làm kết cấu chịu lực chính như cột, khung hoặc cấu kiện phụ như xà gồ, dầmtường Cấu kiện dạng tấm dùng để làm panen mái hay tường Kích thước các tiết diệnuốn nguội được tiêu chuẩn hoá tại một số nước sử dụng nhiều

Trang 14

Hình 2-11: Các loại tiết diện uốn nguội

Xà gồ, dầm tường thường có tiết diện chữ C hoặc chữ Z Tiết diện chữ Z thuận tiện cho việc xếp để chuyên chở Tiết diện chữ Z cũng dễ lồng lên nhau để tăng thành tiết diện kép chịu được mômen lớn tại gối tựa của dầm liên tục (hình 9.5) Cấu kiện thành mỏng tạo hình nguội là loại cấu kiện đặc biệt, việc tính toán hết sức phức tạp Khi một cấu kiện thành mỏng chịu uốn hay xoắn, thường xuất hiện những ứng suất và biến dạng gây nên sự vênh của tiết diện, do một đại lượng lực tên là bimômen (Hình

9.10,a) Ngoài ra, do thành mỏng, cấu kiện rất dễ mất ổn định cục bộ tại cánh và bụng ;một số bộ phận của cánh và bụng không làm việc, không được xét trong tính toán, phần còn chịu lực được gọi là tiết diện hữu hiệu và nhiệm vụ tính toán là xác định tiết diện hữu hiệu này (hình 9.10,b) Nước ta chưa có quy phạm tính toán thanh thành mỏng, và thực tế rất ít kết cấu thành mỏng đã được tự thiết kế trong nước

Hình 2-12: sự làm việc của cấu kiện thành mỏng a)Tiết diên bị vênh do bi mômen; b) Tiết diện hữu hiệu ;1-Dầm; 2-Cột

Cấu kiện thành mỏng cũng có thể dùng để làm kết cấu chính của nhà có nhịp đến 20m,

số tầng 2 đến 3 tầng Hình 9.11 thể hiện một nhà xưởng làm hoàn toàn bằng cấu kiện thành mỏng tạo hình nguội đang được dựng lắp ơ Việt Nam

Trang 15

Hình 2-13: Nhà xưởng làm hoàn toàn bằng thép thanh thành mỏng tạo hình nguội

2.2 Sự làm việc, trạng thái ứng suất biến dạng :

2.2.1 Cấu kiện thép thành mỏng chịu uốn:

- Cấu kiện thành mỏng chịu uốn (dầm) có các loại tiết diện: chữ C, chữ Z, chữ I

do hai chữ C ghép lại, tiết diện chữa môn, tiết diện hộp Đối với một cấu kiệnthành mỏng chịu uốn, cần kiểm tra các điều kiện sau:

+ Độ bền (sự chảy của thớ ứng suất lớn nhất của tiết diện);

+ Độ cứng (độ võng lớn nhất của cấu kiện);

+ Sự mất ổn định của dầm khi bị uốn xoắn theo phương bên (còn gọi là sự oằnbên);

+ Sự mất ổn định của một đoạn dầm khi bị vặn (gọi là sự oằn vặn);

+ Bụng dầm chịu cắt hoặc cắt và uốn kết hợp;

+ Các tình toán khác về liên kết và cấu tạo

2.2.2 Cấu kiện thép thành mỏng chịu cắt:

- Cấu kiện nói chung hoặc là dầm chịu được lực cắt là nhờ bản bụng đặt trongmặt phẳng lực cắt Tính toán cấu kiện chịu lực cắt thực chất là tính toán bảnbụng Cường độ của bản bụng phụ thuộc vào các điều kiện sau đây:

+ Bụng bị đạt giới hạn chảy do cắt, hoặc bị mất ổn định (oằn) hoặc do cả hai;+ Bụng chịu uốn trong mặt phẳng và bị mất ổn định cục bộ trong vùng nén;+ Bụng chịu lực tập trung tại điểm đặt tải hoặc tại gối tựa và chịu sự ép dập.Trong cả ba trường hợp trên nếu có môment uốn đồng thời với lực cắt hoặc với tảitrọng tập trung thì cường độ của bụng còn bị giảm nhiều hơn

Trang 16