Tính toán ổn định thanh tạo hình nguội theo tiêu chuẩn úc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG NGUYỄN DUY LINH KHÓA (2014-2016) LỚP CAO HỌC KHÓA TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH THANH TẠO HÌNH NGUỘI THEO TIÊU CHUẨN ÚC Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Đỗ Trọng Quang Hải Phòng, tháng năm 2017 LỜI CẢM ƠN Kết cấu thép tạo hình nguội loại kết cấu bắt đầu đƣợc sử dụng nhiều nƣớc ta Từ sản phẩm cấu kiện thông dụng nhƣ khung mái, tƣờng, xà gồ, dầm sàn, đến có nhiều dạng kết cấu hoàn chỉnh nhƣ nhà tầng, khung nhà nhiều tầng, hệ thống mái, Nƣớc ta có nhiều xƣởng cán nguội làm sản phẩm xây dựng số nhà máy sản xuất cuộn thép mỏng nguyên liệu kết cấu tạo hình nguội Có thể nói kết cấu thép tạo hình nguội xu hƣớng phát triển kết cấu thép nƣớc ta năm tới Tuy nhiên lý thuyết tính toán thiết kế loại kết cấu nƣớc ta khiêm tốn, nƣớc ta chƣa có Tiêu chuẩn thiết kế chung cho loại kết cấu Việc sử dụng Tiêu chuẩn Việt Nam thép cán nóng TCVN 55752012 hoàn toàn không phù hợp Thấy rõ đƣợc vai trò việc kiểm tra, tính toán chất lƣợng cấu kiện tạo hình nguội, đƣợc quan tâm, tạo điều kiện thầy cô Khoa Xây Dựng-Trƣờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng, đặc biệt quan tâm bảo hƣớng dẫn tận tình TS Đỗ Trọng Quang với cố gắng, em đƣợc giao nhận, hoàn thành Luận văn Tính toán ổn định tạo hình nguội theo Tiêu Chuẩn Úc AS 4600 Do lần đầu tiên, đƣợc thực đồ án nghiên cứu, với kiến thức, khả hiểu biết hạn hẹp, bên cạnh gặp không khó khăn Vì không tránh khỏi sai sót, nhiều vấn đề tìm hiểu hạn chế mong thầy cô nêu ý kiến góp ý để em hiểu, tiếp thu thêm kiến thức giúp Luận Văn hoàn thiện Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Xây Dựng Trƣờng Đại Học Dân Lập Hải Phòng, đặc biệt thầy giáo Ts Đỗ Trọng Quang tạo điều kiện, tận tình bảo, hƣớng dẫn trực tiếp, giúp em hoàn thành Luận văn "Tính toán ổn định tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Úc" EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN! Học viên thực hiện: NGUYỄN DUY LINH LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Duy Linh Sinh ngày: 13/6/1984 Nơi sinh: thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh Nơi công tác: UBND huyện Hoành Bồ, tỉnh Quảng Ninh Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp Cao học ngành Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng công nghiệp với đề tài: “Tính toán ổn định tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Úc” Luận văn cá nhân thực công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Hải Phòng, ngày 20 tháng năm 2017 Ngƣời cam đoan Nguyễn Duy Linh MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN Khái niệm kết cấu tạo hình nguội Đặc điểm phạm vi áp dụng Ƣu khuyết điểm kết cấu thép tạo hình nguội 10 3.1 Ƣu điểm 10 Các dạng cấu kiện tạo hình nguội 11 Chế tạo sử dụng tạo hình nguội 13 5.1 Chế tạo 13 5.2 Vật liệu, liên kết: 18 5.3 Sử dụng thép tạo hình nguội: 19 CHƢƠNG II CƠ SỞ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN THANH TẠO HÌNH NGUỘI 22 I THIẾT KẾ THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN CỦA AS 4600 22 II MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA VỀ CẤU KIỆN THANH THÀNH MỎNG 22 Phần tử (element) 22 Phần tử phẳng 23 Góc uốn (bend) 23 Phần tử cong (arched element) 23 Phần tử nén đƣợc tăng cứng (stiffened compression element) 23 Phần tử nén không đƣợc tăng cứng (unstiffened compression element) 24 Phần tử nén đƣợc tăng cứng nhiều lần (multipe stiffened compression element): 24 Sƣờn (stiffener): 25 Bề rộng phẳng b (flat width): 25 10 Bề dày (thickness): 25 11 Bề rộng hữu hiệu: 25 III SỰ TĂNG CƢỜNG ĐỘ CỦA THÉP UỐN NGUỘI: 26 IV PHƢƠNG PHÁP ĐƢỜNG TRUNG BÌNH ĐỂ TÍNH ĐẶC TRƢNG TIẾT DIỆN: 27 V BỀ RỘNG HỮU HIỆU CỦA CẤU KIỆN: 29 Sự ổn định cục chịu nén 29 Tấm đƣợc tăng cứng chịu nén 30 Phần tử đƣợc tăng cứng chịu ứng suất biến đổi tuyến tính 32 Phần tử không đƣợc tăng cứng 33 Phần tử chịu nén đều, có sƣờn bên 33 VI TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CHỊU UỐN 37 Tính toán bền 37 Tính toán khả chịu mômen danh nghĩa tiết diện MS 37 Tính độ võng 38 VII TÍNH TOÁN CƢỜNG ĐỘ CHỊU OẰN BIÊN DO UỐN – XOẮN 39 Sự oằn bên uốn- xoắn 39 Tính cƣờng độ oằn uốn – xoắn theo AS 4600 41 VIII MỘT SỐ BÀI TOÁN KIỂM TRA ĐỐI VỚI THANH THÀNH MỎNG TIẾT DIỆN CHỮ C 47 CHƢƠNG III 62 ÁP DỤNG KIỂM TRA ĐỐI THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI MẤT ỔN ĐỊNH (OẰN) DO XOẮN HỌC UỐN XOẮN (CỘT) 62 Một số khái niệm: 62 Cơ sở lý thuyết toán ổn định xoắn uốn xoắn cột 62 2.1 Đối với tiết diện không đối xứng (tâm uốn không trùng trọng tâm cột): 64 2.2 Đối với tiết diện có trục đối xứng 65 2.3 Đối với tiết diện có trục đối xứng 66 2.4 Kiểm tra ổn định (oằn) uốn xoắn cấu kiện thành mỏng theo tiêu chuẩn AS4600 (Úc) 66 2.5 Áp dụng kiểm tra ổn định xoắn uốn xoắn cột thép tiết diện chữ I, cánh rỗng (HFB) 68 CHƢƠNG IV 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 Kết luận 70 Kiến nghị 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 DANH MỤC CÁC HÌNH, CÁC BẢNG Hình 1.1 Kết cấu tạo hình nguội Hình 1.2 Bề dày tạo hình nguội Hình 1.3 Các loại tiết diện uốn nguội 11 Hình 1.4 Sự làm việc cấu kiện thành mỏng 12 Hình 1.5 Nhà xƣởng làm hoàn toàn cấu kiện thành mỏng tạo hình nguội 12 Hình 1.6 Máy dập mép 14 Hình 1.7 Máy ép khuôn 15 Hình 1.8 Máy cán trục lăn 17 Hình 1.9 Sơ đồ liên kết hàn chập áp lực sử dụng nguồn điện 19 Hình 1.10 Sơ đồ liên kết bu lông 19 Hình 2.1: Góc uốn 23 Hình 2.2: Các loại phần tử 23 Hình 2.3: Phần tử nén đƣợc tăng cứng 24 Hình 2.4: Phần tử nén không đƣợc tăng cứng 24 Hình 2.5: Phần tử đƣợc tăng cứng nhiều lần 24 Hình 2.6: Sƣờn biên 25 Hình 2.7: Sƣờn trung gian 25 Bảng 4.1: Các đặc trƣng tiết diện phần tử đƣờng trung bình hay gặp 27 Hình 2.8 Mất ổn định chịu nén 29 Hình 2.9: Sự phân bố ứng suất sau tới hạn 30 Hình 3.10: Phần tử đƣợc tăng cứng chịu nén 32 Hình 2.11:Phần tử đƣợc tăng cứng sƣờn biên 34 Hình 2.12: Biểu đồ phân bố ứng suất phần tử thuộc trƣờng hợp 35 Hình 2.13: Biểu đồ phân bố ứng suất phần tử thuộc trƣờng hợp 36 Hình 2.14: Các dạng tiết diện chịu uốn 38 Hình 2.15: Sự oằn bên uốn xoắn 39 Hình 2.16: Momen tới hạn cấu kiện oằn-uốn xoắn 42 Hình 2.18: Kích thƣớc hình học thép C 200 48 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Hiện nay, thép tạo hình nguội đƣợc sử dụng rộng rãi nhiều công trình dân dụng, công nghiệp Việt Nam Nhiều doanh nghiệp sản xuất kết cấu thép nhƣ Jamin steel, BHP, Bluscopes Lysaght hay Vinapipe dần chuyển giao công nghệ từ nƣớc sản xuất có hiệu dạng kết cấu thép Mặt khác, ƣu việt trọng lƣợng nhẹ, tính công nghệ khả chịu lực cao, kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội (cold-formed structure) trở thành phƣơng hƣớng phát triển công trình kết cấu thép Việt Nam Các sản phẩm thép thành mỏng đa dạng từ cấu kiện rời rạc nhƣ xà gồ, dầm tƣờng, dầm sàn, kết cấu bao che (vách ngăn, tƣờng, mái) kết cấu hoàn chỉnh nhƣ khung nhà tầng, khung nhà công nghiệp, nhà công cộng Tuy vậy, nƣớc ta chƣa có tiêu chuẩn thiết kế riêng cho loại kết cấu Việc sử dụng tiêu chuẩn Việt Nam thép cán nóng TCVN 5575-1991 hoàn toàn không phù hợp Đối với cấu kiện thép thành mỏng, điều quan trọng phải tính toán kiểm tra ổn định đó, ổn định xoắn uốn xoắn phức tạp đặc trƣng Đƣờng lối chung để giải giải phƣơng trình vi phân theo lý thuyết ổn định Timoshenko Vlaxop nhằm xác định giá trị lực tới hạn cho trƣờng hợp phá hoại ổn định xoắn uốn xoắn Đồng thời để áp dụng thực tế, ngƣời thiết kế cần lựa chọn tiêu chuẩn tính toán phù hợp Luận văn nghiên cứu sử dụng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép tạo hình nguội AS/NZS 4600-1996 (Úc) (viết gọn AS4600) Điều phù hợp với thực tế sản xuất kết cấu thép nhiều công ty liên doanh với Úc hoạt động nƣớc ta Để góp phần vào phát triển phổ biến lý thuyết tính toán tạo hình nguội tạo hình nguội Việt Nam, đƣợc hƣớng dẫn tận tình Tiến sỹ Đỗ Trọng Quang nghiên đề tài: “Tính toán ổn định tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Úc” Phƣơng pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu sở tính toán cấu kiện - Tính toán ổn định tạo hình nguội theo AS 4600 so sánh theo cách tính toán độ bền Việt Nam Ý nghĩa đề tài: Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn cao, giúp học viên có hội nghiên cứu, tìm hiểu tính toán loại kết cấu Tạo điều kiện cho học viên hiểu biết thêm ứng dụng kiến thức vào thực tế CHƢƠNG I: TỔNG QUAN KHÁI QUÁT TÌNH HÌNH CHẾ TẠO VÀ SỬ DỤNG KẾT CẤU THANH TẠO HÌNH NGUỘI TRONG XÂY DỰNG Khái niệm kết cấu tạo hình nguội Kết cấu tạo hình nguội dạng theo định nghĩa trƣớc đây, tức vật thể có kích thƣớc theo phƣơng lớn nhiều so với kích thƣớc theo hai phƣơng Thế nhƣng kích thƣớc theo phƣơng hai phƣơng lại nhỏ Và thƣờng chu vi hở, rõ điều vào nội dung nghiên cứu Và kết cấu tạo hình nguội xem kết cấu đặc biệt Kết cấu thƣờng gặp ngành khí, xây dựng, đặc biệt đƣợc ứng dụng kết cấu máy bay, tàu thuỷ, toa xe Vì cho việc giới thiệu vấn đề tính toán kết cấu tạo hình nguội dƣới cần thiết Ở hình 1.1 biểu diễn tạo hình nguội, có bề dày  bé so với chu tuyến S (đƣờng trung bình mặt cắt ngang) S lại bé so với chiều dài l Loại kết cấu tạo hình nguội có ƣu việt chỗ trọng lƣợng nhỏ nhƣng chịu lực lớn đƣợc sử dụng kết cấu máy bay, tàu thuỷ, ô tô, tàu hoả, số công trình xây dựng cầu s   Tính toán kết cấu tạo hình nguội chuyên đề lớn đƣợc số nhà bác học nhƣ Timôsenko, Vlasốp nghiên cứu Đặc biệt Vlasôp nghiên cứu tính toán độ bền mà nghiên cứu ổn định, dao động kết cấu tạo hình nguội, ngƣời ta gọi lý thuyết Vlasốp làm quyen với số định nghĩa sau: l l Hình 1.1 Kết cấu tạo hình nguội - Mặt cách hai mặt bên đƣợc gọi mặt trung gian Giao tuyến mặt trung gian với mặt cắt ngang gọi đƣờng trung gian Hình dáng đƣờng trung gian đƣợc gọi chu tuyến mặt cắt ngang - Thanh có mặt cắt ngang hở chu tuyến đƣờng hở có mặt cắt ngang kín chu tuyến đƣờng kín - Bề dày  không đổi thay đổi (xem hình 1.2) Hình 1.2 Bề dày tạo hình nguội Đặc điểm phạm vi áp dụng Đây loại kết cấu thép nhẹ đƣợc sử dụng từ hàng chục năm nƣớc, đƣợc áp dụng Việt Nam thời gian gần Kết cấu thép nhẹ khác biệt với kết cấu thép thông dụng điểm sau : - Sử dụng thép tạo hình nguội từ thép mỏng (tới 1,0 mm trở lên); - Sử dụng loại tiết diện kết cấu thông thƣờng nhƣ tiết diện kín, tiết diện vuông, tiết diện tròn ; - Sử dụng phƣơng pháp liên kết không dùng kết cấu thƣờng Đặc điểm quan trọng sử dụng thép tạo hình nguội từ thép mỏng, sau ta gọi thành mỏng thép hình uốn nguội Bên cạnh loại thép hình cán nóng thông thƣờng, nƣớc chế tạo rộng rãi thép hình uốn nguội Việc sử dụng thành mỏng tạo cách tiếp cận khác kết cấu thép giai đoạn xây dựng: thiết kế, chế tạo, dựng lắp Đó giải pháp kĩ thuật lĩnh vực vật liệu công nghệ ban đầu đƣợc sử dụng lĩnh vực khí, hàng không, ô tô, mang áp dụng vào kết cấu xây dựng khiến tạo nên loại kết cấu trọng lƣợng giảm nhẹ - Kết cấu tạo hình nguội khác biệt với kết cấu thép thông dụng điểm sau: + Sử dụng thép tạo hình nguội từ thép mỏng (0,3 đến 4mm) + Sử dụng loại tiết diện kết cấu thông thƣờng nhƣ tiết diện Z, C, tiết diện kín, tiết diện vuông, tiết dện tròn + Sử dụng phƣơng pháp liên kết không dùng kết cấu thƣờng + Đặc điểm quan trọng sử dụng thép tạo hình nguội từ thép thành mỏng, ta gọi tạo hình nguội thép hình uốn nguội + Các phần tử cấu kiện thành mỏng mỏng Sau ứng suất đạt tới giá trị tới hạn, bị oằn nhƣng không bị phá hủy, khả chịu thêm lực tải trọng đặt thêm vào gây phân bố lại ứng suất cấu kiện chịu đƣợc tải trọng Hiện tƣợng gọi làm việc sau tới hạn đƣợc áp dụng nhiều cho cấu kiện thành mỏng - Đặc điểm làm việc tạo hình nguội tạo hình nguội: + Thanh tiết diện hở: làm việc tiết diện không phẳng, không tuân theo giải thiết tiết diện phẳng, mặt cắt ngang bị vênh Khi chịu xoắn, phát sinh ứng suất phụ  ,  + Thanh tiết diện kín: làm việc nhƣ thông thƣờng Ƣu khuyết điểm kết cấu thép tạo hình nguội: 3.1 Ƣu điểm: - Giảm trọng lƣợng thép từ 25-50%, lí thuyết giảm nhƣng kèm theo khó khăn tốn chế tạo không kinh tế - Dựng lắp nhanh, giảm thời gian chế tạo lắp ráp - Hình dạng tiết diện đƣợc chọn tự do, đa dạng theo yêu cầu - Đặc trƣng chịu lực tiết diện có lợi, phân bố vật liệu hợp lí, dùng tiết diện kín - Dùng tiết diện kín tạo vẻ đẹp kết cấu, bớt che lấp diện tích kính lấy sáng 3.2 Khuyết điểm: - Giá thành thép uốn nguội cao thép cán nóng - Chi phí phòng nghỉ cao hơn, bề mặt tiết diện thép lớn hơn, cần nhiều diện tích phủ 10 d 3.t 143.2 Is    457,33 mm 12 12 Do Is < Ia, sƣờn không đủ cứng nên thân sƣờn không phát huy đƣợc đầy đủ Khi tính toán đặc trƣng hình học cho toàn tiết diện, đƣợc dùng phần d s  C2 d se *) Tính bề rộng hữu hiệu dl / b  be cánh nén 20  0, 416  0,8 , nên dùng đƣợc công thức cho ka 48 k  C2 n ( k a  k u )  k u C2  I s 457,33   0,812  Ia 563,3 ka  5, 25  5(0, 416)  3,17  ku  0, 43 n  0,5 Vậy: k  0,8120,5 (3,17  0, 43)  0, 43  2,9  1, 052 b f 1, 052 48 34   0, 611 k t E 2,9 20000   0, 611  0, 673  p  1, be  b Bề rộng hữu hiệu be = b = 48 (mm) 3/ Bề rộng hữu hiệu đoạn mép sƣờn Giả thiết an toàn ứng suất tính toán đoạn mép sƣờn f *  f y  1,052  14  34    0, 463  0,673 0, 43   20000 p 1 d se  d  14(mm) 58 Do Is < Ia nên không dùng đƣợc toàn d se để tính toán đặc trƣng hình học toàn tiết diện đƣợc dùng d s = C2 d se = 0,812.14=11,4 (mm) 4/ Tìm trọng tâm tiết diện hữu hiệu: Giả thiết bụng hữu hiệu hoàn toàn, tính toán mômen tĩnh tiết diện với tim cánh dƣới, dùng phƣơng pháp đƣờng trung bình: Ly2 Io thân 7584 1198272 2508,8 393380 18,6 x 240677,8 123,5 923668 270150 29 52 18,6 x 14 196 2744 229 0 0 Phần tử L y Cánh 48 158 góc 8x2 156,8 Mép 11,4 145,3 Bụng 148 79 11692 góc dƣới 8x2 1,8 Mép dƣới 14 Cánh dƣới 48 Tổng 301,4 Tọa độ trọng tâm y0  Ly 1656,42 23666 Ly L  2758794 270577 23666  78,5 mm 301, Khoảng cách từ trục trọng tâm đến biên trên: h0 = 159-78,5=80,5 (mm) > d/2 = 80mm.Sự chảy bắt đầu biên chịu nén 5) Tìm bề rộng hữu hiệu bụng 59 Tính ứng suất biên bụng: 80,5  f  31, 47( KN / cm ) 80,5 78,5  f 2*  f  31, 04( KN / cm ) 80,5 f1*  f 2*  0,986  0, 236 f1*  k   (1,986)3  2.(1,986)  15,8  1, 052  148  31, 47  0, 777  0, 673   15,8   20000 0, 22 0, 777  p   0,922 0, 777 be  0,922.148  136( mm) 1 be 136   34,5(mm)   0,986 b 136 be  e   68(mm) 2 be1  Tổng bề rộng hữu hiệu be1 + be2 =34,5+68=102,5(mm)> ho =80,5(mm) Vậy bụng hữu hiệu hoàn toàn với giả thiết 6) Tính môđun chống uốn tiết diện hữu hiệu: Momen quán tính tiết diện (t=1) I = Σ Ly2 + I0 - y0 ΣL= 2758794 + 270577 – 78,52 301,4= 1172069 mm3 (Io momen quán tính phần tử với trục thân nó) Momen quán tính thật tiết diện hữu hiệu: I =1172069.2 = 2344138 (mm4) Môđun chống uốn tiết diện hữu hiệu: Ze = 2344138 / 80,5= 29120 mm3 = 29,12 m3 Momen uốn tính toán mà tiết diện chịu đƣợc Ms = 29,12 x 34 = 990,08 kNcm M* = 0,95 x 990,08 = 940,576 kNcm 60 (  = 0,95 tính toán theo bền cánh nén đƣợc tăng cứng) 7) Tải trọng mà tiết diện chịu đƣợc: M *.8 940,576.8   0,0216( KN / cm )  2,16(daN / m ) B2 6002.cos15o Kết luận 3: q (4) Bài toán cho kết quả, tính toán theo AS 4600 khả chịu lực xà gồ chữ C lớn 18,64% so với tính toán theo Tiêu chuẩn Việt Nam 61 CHƢƠNG III ÁP DỤNG KIỂM TRA ĐỐI THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI MẤT ỔN ĐỊNH (OẰN) DO XOẮN HỌC UỐN XOẮN (CỘT) Một số khái niệm: Ổn định thép thành mỏng phức tạp nhiều so với thép cán nóng thông thƣờng, bao gồm: a Sự ổn định cột uốn dọc: Tiết diện xoay quanh trục đối xứng yếu (thƣờng y-y) không kèm theo xoắn thƣờng xảy tiết diện có trục đối xứng gọi tiết diện đối xứng kép (Chữ I, hình hộp, hình ống ) b Sự ổn định cột bị xoắn quanh tâm xoắn tiết diện: Tiết diện xoay quanh tâm xoắn không kèm theo uốn Thuờng xảy với cấu kiện ngắn, đọ cứng chống xoắn nhỏ (chữ I, chữ thập, chữ C ) c Sự ổn định cột chịu uốn xoắn kết hợp: Cột vừa bị uốn theo phƣơng mặt phẳng tiết diện x-x y-y đồng thời lại chịu xoắn trục dọc z-z Thƣờng xảy tiết diện có trục đối xứng gọi tiết diện đối xứng đơn (thép góc, thép máng, tiết diện chữ T, chữ I cánh không ) tiết diện trục đối xứng Ngoài ra, thiết phải kiểm tra ổn định cục phân tố cánh bụng tiết diện cột Trong đó, ổn định cột xoắn uốn xoắn phức tạp méo mó mặt cắt ngang trạng thái ổn định dẫn đến cột biến dạng dọc uốn mà có biến dạng dọc xoắn Ứng suất biến dạng dọc phụ thêm phụ thuộc vào đặc trƣng hình học tiết diện thành mỏng lớn nên bỏ qua tính toán, thiết kế Cơ sở lý thuyết toán ổn định xoắn uốn xoắn cột Gọi xo,yo tọa độ tâm uốn O và,o toạ độ quạt điểm M (x,y) tiết diện Theo Vlaxov, hệ phƣơng trình vi phân ổn định trạng thái giới hạn cấu kiện thành mỏng có dạng tổng quát nhƣ sau: EIxuIV + Pv’’ - Pxo’’=0 EIyuIV + Pu’’ + Pyo’’=0 62 EIIV+ (Pr20 - GJ) - Pyou’’-Px0v=0 Trong đó: P: Lực nén cột u,v góc xoay  c.vị, đạo hàm lấy theo trục z Ix, Iy: Mômen kháng uốn tiết diện hữu hiệu theo phƣơng x-x y-y I=  O2 t.ds I: Hằng số vênh tiết diện: J: Mômen tính xoắn tiết diện: J = b, t  (3-55) (3-56) E, G: Môđun đàn hồi; Môđun đàn hồi trƣợt thép ro: Bán kính quán tính cực tiết diện tâm uốn O (xo,yo) rx2  ry2  x02  y02 ro = (3-57) Giả sử đầu liên kết khớp, điều kiện biên có dạng: u=0,v=0, =0 z=0 z=L Vì mômen uốn = nên u’’=0, v’’=0, ’’=0 Nghiệm hệ phƣơng trình vi phân có dạng: u=Asin(nz/L); v=Bsin (nz/L); =Csin (nz/L) (3-58) Trong đó: A,B,C: Các hệ số không đổi Để có lực tới hạn nhỏ lấy n=1 L: Chiều dài hình học cột Đặt  = n/L Thay nghiệm vào hệ phƣơng trình ổn định đơn giản thừa số chung 2sin z, ta đƣợc hệ phƣơng trình đại số xác định A,B,C: (EIy – P)A -yoPC=0 (EIx – P)A -xoPC=0 (EI - (ro2P-GJ))C-yoPA + xoPB =0 Đặt: Px = EIx2 = Py= EIy =  E I x (3-59) l 2ox  E I y (3-60) l 2oy Pz= (EI2 + GJ)/ro= (  EI oz l  GJ ) 63 r02 (3-61) Trong đó: lox, loy, loz: Chiều dài tính toán cột uốn quanh trục x-x, y-y xoắn quanh trục z-z Để hệ số A,B,C khác định thức hệ phải = Ta có: ( Py  P)  y0 P ( Px  P) x0 P 0  y0 P x0 P ( Pz  P)r0 2.1 Đối với tiết diện không đối xứng (tâm uốn không trùng trọng tâm cột): Khai triển định thức ta đƣợc phƣơng trình: (-ro2+y02+x02)P3 + [(P+Px+Py)ro2 - y02Px-x02Py]P2 – ro2(PxPy+PyP+PxP)P + PxPyPro2 = (3-62) Lực tới hạn P = nghiệm phƣơng trình đặc trƣng (P1,P2,P3) Xét hàm f(P) = Vế trái phƣơng trình Giả sử Px0 Khi P=Px ta có f(Px) =-x2oP2x(PyPx)Lcr lực tới hạn P=Py: Cột bị ổn định (oằn) uốn dọc - Nếu LLcr lực tới hạn P = Py: Cột bị ổn định (oằn) uốn dọc - Nếu L 1,5: fn= (0,877/2c)fy (3-78) theo 3.4.1-AS4600 (4) - Tính khả chịu nén danh nghĩa cột: Nc = Ae.fn (3-79) theo 3.4.1-AS4600 (2) Ae: Diện tích tiết diện hữu hiệu chịu nén N < c.Nc - Kiểm tra điều kiện ổn định: (3-80) c: Hệ số điều kiện làm việc chịu nén trung tâm c =0,85 2.5 Áp dụng kiểm tra ổn định xoắn uốn xoắn cột thép tiết diện chữ I, cánh rỗng (HFB) Ví dụ tính toán: Kiểm tra ổn định uốn xoắn cho cột thép thành mỏng tiết diện HFB định hình số hiệu 25090HFB28 theo công nghệ Úc Lực nén tính toán cột là: 180kN Các đặc trƣng hình học nhƣ sau: lox=loy=loz=3,5m; A=16,15cm2; Ae=13,09cm2; Ix=1550cm4; Iy=81,2cm4; I=9110cm4; J= 43,8cm; rx=9,78cm; ry=9,79cm Vật liệu thép có giới hạn chảy fy=3400daN/cm2 Do tiết diện HFB đối xứng kép nên xo=yo=0 - Tính toán ứng suất oằn uốn dọc: foy=  E (loy ry ) =(3,142.2.106)/(350/9,79)2= 15430daN/cm2 - Tính ứng suất oằn xoắn foz: foz= (  EI loz2  GJ ) 3,142.2.106.9110 = = (  800000.43,8) Ar0 350.350 16,15.13,84.13,84 11801,02daN/cm2 Suy ra: foc = (foy, foz)= 11801,02daN/cm2 - Bán kính quán tính cực tâm uốn O (0,0): 2 ro = rx  ry = 9,782  9,792 = 13,84cm 68 - Tính toán độ mảnh tiết diện c: c = fy f oc = 15430 = 1,14< 1,5 11801, 02 - Tính lực tới hạn danh nghĩa: c < 1,5 nên fn= (0,658  c )fy = ( 0,6581,14 ).3400= 3372,222daN/cm2 - Tính lực nén lớn nhất: N=c.Nc=0,85.Ae.fn = 0,85.13,09.3372,222 = 37521daN = 375,2kN > 180kN Vậy: Cột tiết diện 25090HFB28 đảm bảo điều kiện ổn định chịu lực nén 180kN 69 CHƢƠNG IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Từ kết tính toán dựa theo hai tiêu chuẩn: Tiêu chuẩn TCVN 5575-2012 Tiêu chuẩn ÚC AS 4600, so sánh, kết luận khả chịu lực tiết diện lựa chọn phƣơng pháp tối ƣu tính toán, kiểm tra, áp dụng vào thực tế - Khi đƣợc uốn nguội, cƣờng độ thép đƣợc tăng lên so với cƣờng độ ban đầu đƣợc gọi tƣợng cứng nguội - Tính theo Tiêu chuẩn Úc AS 4600, tạo hình nguội chữ C có khả chịu lực lớn so với phƣơng pháp kiểm tra bền TCVN 5575-2012 - Sự ổn định theo dạng uốn xoắn kết hợp dạng phá hoại đặc trƣng thƣờng gặp cấu kiện thép thành mỏng Tuỳ theo hình dạng tiết diện (đối xứng đơn, đối xứng kép hay bất kỳ) mà xác định đƣợc giá trị lực tới hạn từ xác định ứng suất tới hạn để kiểm tra toán ổn định tổng thể - Việc cấu tạo tiết diện cho có toạ độ tâm uốn (xo,yo) hợp lý nhƣ lựa chọn chiều dài tính toán cấu kiện phù hợp (L) có tác dụng quan trọng để hạn chế ổn định uốn xoắn - Tính toán tạo hình nguội theo Tiêu chuẩn AS 4600 phức tạp so với cách tính toán tiêu chuẩn Việt Nam Tuy nhiên phƣơng pháp có ƣu điểm sát với khả thực tế tiết diện thực đồng thời giải đầy đủ toán ổn định theo phƣơng pháp trạng thái giới hạn, ta tính toán chọn đƣợc tiết diện tối ƣu sử dụng để tính toán kiểm tra ổn định cấu kiện thép thành mỏng điều kiện thực tế chƣa có tiêu chuẩn Việt Nam tính toán kết cấu thép thành mỏng KIẾN NGHỊ: Trong Luận văn tính toán tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Úc AS 4600, đạt đƣợc mục tiêu đề Tuy nhiên lần đƣợc thực luận văn Thạc sĩ, trình nghiên cứu gặp nhiều khó khăn phƣơng pháp nghiên cứu, kiến thức hiểu biết, khả thực hành hạn chế, tài liệu tham khảo ít, đa phần tiếng Anh Vì vậy, tìm hiểu dừng lại việc nghiên cứu, tính toán so sánh với Tiêu chuẩn Việt Nam, với mục tiêu đạt đƣợc, bên cạnh nhiều vấn đề cần tìm hiểu khai thác sâu, triệt để hơn.Với khó khăn hạn chế thời 70 gian nghiên cứu, tìm hiểu tính toán tạo hình nguội dựa theo tiêu chuẩn ÚC AS 4600, em có số kiến nghị mong thầy cô khoa tạo điều kiện: - Trong thời gian tới mong khoa tạo điều kiện cho học viên, sinh viên năm sau có điều kiện đƣợc tham gia tìm hiểu, khai thác sâu Tiêu chuẩn AS 4600 với loại kết cấu đa dạng - Tiếp tục triển khai sâu vào nghiên cứu phân tích kết thí nghiệm tính toán 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO GS-TS Đoàn Định Kiến Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội - NXB Xây Dựng năm 2015 Ths Hoàng Văn Quang, Ths Trần Mạnh Dũng, Ths Nguyễn Quốc Cƣờng Thiết kế khung thép nhà công nghiệp - NXB Khoa học kĩ thuật 2010 Tiêu chuẩn XDVN 5575-2012, Kết cấu thép, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép Tiêu chuẩn thiết kế thép thành mỏng AS 4600 Trusbuild.com.vn http://www.bluescopesteel.com.au/ Huỳnh Minh Sơn, Phạm Văn Hội, Nghiên cứu ứng dụng cấu kiện tiết diện HFB, Kỷ yếu Hội thảo Khoa học Kết cấu thép Xây dựng, Hà Nội, 12/2004 Huỳnh Minh Sơn Tính toán dầm thép cánh rỗng HFB theo tiêu chuẩn thiết kế Úc, Tạp chí Khoa học Công nghệ ĐHĐN số 2/6-2004 Australia/New Zealand Standard, Cold-formed Steel Structure, AS/NZS 4600:1996 10 Dempsey, R.I, Hollow Flange Beam Member Design Manual, Palmer Tube Technologies, 1993 11 Hancock, Gregory Design of cold-formed Steel structures (to Australian/New Zealand Standard AS/NZS:4600), Australian Institute of Steel Construction 1998 72 ... tạo hình nguội Việt Nam, đƣợc hƣớng dẫn tận tình Tiến sỹ Đỗ Trọng Quang nghiên đề tài: Tính toán ổn định tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Úc Phƣơng pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu sở tính toán. .. - Tính toán ổn định tạo hình nguội theo AS 4600 so sánh theo cách tính toán độ bền Việt Nam Ý nghĩa đề tài: Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn cao, giúp học viên có hội nghiên cứu, tìm hiểu tính toán. .. biệt thầy giáo Ts Đỗ Trọng Quang tạo điều kiện, tận tình bảo, hƣớng dẫn trực tiếp, giúp em hoàn thành Luận văn "Tính toán ổn định tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Úc" EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN! Học