Nghiên cứu tính toán cấu kiện hợp kim nhôm chịu nén uốn (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI TRẦN QUANG HUY NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CẤU KIỆN HỢP KIM NHÔM CHỊU NÉN UỐN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

TRẦN QUANG HUY

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CẤU KIỆN HỢP KIM NHÔM CHỊU NÉN UỐN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội – 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

TRẦN QUANG HUY KHÓA: 2015 – 2017

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CẤU KIỆN HỢP KIM NHÔM CHỊU NÉN UỐN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS ĐOÀN TUYẾT NGỌC

Hà Nội – 2017

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới tất cả các thầy cô trong Khoa sau đại học – Trường đại học kiến trúc Hà Nội vì những giúp đỡ

và chỉ dẫn nhiệt tình trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn cô giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS Đoàn Tuyết Ngọc đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn, cũng như tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp lớp 15X4-VL đã đồng hành và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn

Hà Nội, ngày 25 tháng 04 năm 2017

Tác giả

Trần Quang Huy

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực và chưa từng có ai công bố trong bất kì đề tài nghiên cứu nào

Hà Nội, ngày 25 tháng 04 năm 2017

Tác giả

Trần Quang Huy

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Danh mục các kí hiệu

Danh mục các hình ảnh

Danh mục các bảng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU HỢP KIM NHÔM 4

1.1.Giới thiệu chung về kết cấu hợp kim nhôm 4

1.2.Ưu và nhược điểm của kết cấu hợp kim nhôm 5

1.3.Phạm vi áp dụng 6

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CẤU KIỆN HỢP KIM NHÔM CHỊU NÉN UỐN 26

2.1 Vật liệu và các dạng hợp kim nhôm 26

a Vật liệu 26

b Các dạng hợp kim nhôm 27

2.2 Sự làm việc và tính chất cơ lý của hợp kim nhôm 28

2.2.1 Sự làm việc 28

2.2.2 Tính chất cơ lý của hợp kim nhôm 28

a Theo Eurocode 9 28

b Theo TCVN Việt Nam 1659 – 75 39

2.3 Phương pháp tính toán cấu kiện hợp kim nhôm 48

2.3.1 Trạng thái giới hạn bền (ULS) 49

2.3.2 Trạng thái giới hạn sử dụng (SLS) 49

2.4 Các dạng tiết diện hay sử dụng 50

2.5 Tính toán cấu kiện hợp kim nhôm chịu nén uốn 53

2.5.1 Mất ổn định uốn 53

2.5.2 Mất ổn định ngang xoắn 55

CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN 57

3.1 Vật liệu thép thành mỏng: 57

3.1.1 Các đặc trưng hình học 57

3.1.2 Tính khả năng chịu lực chịu lực danh nghĩa của cấu kiện 59

3.1.3 Tính Mb theo cường độ chảy và oằn bên khi uốn 62

a Khi cột chịu uốn theo phương x –x 62

b Khi cột chịu uốn theo phương y –y 64

3.1.4 Kiểm tra bền 67

3.2 Vật liệu thép cán nóng định hình chữ I CT42: 68

3.3 Vật liệu hợp kim nhôm: 69

3.3.1 Các đặc trưng hình học: 69

3.3.2 Tính NRd 70

3.4 So sánh tổng khối lượng một cột từ ba phương án: 75

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

a) Các đặc trưng hình học

A Diện tích tiết diện nguyên

Aeff Diện tích tiết diện hữu hiệu

Anet Diện tích tiết diện thực

b Bề rộng phẳng

bc Khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ nén ngoài cùng

bt Khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ kéo ngoài cùng

beff Chiều rộng hữu hiệu

bp Chiều rộng của bản cánh tính từ tim góc uốn

bw Chiều rộng thông thủy giữa các đường hàn

c Chiều rộng phẳng của bản cánh

h Chiều cao tiết diện

ds chiều dài mép

t bề dày tấm

ri bán kính bên trong của góc cong

ro1 bán kính cực của tiết diện đối với tâm uốn

ix ,iy bán kính quán tính của tiết diện đối với các trục tương ứng x-x, y-y

Ix ,Iy mômen quán tính của tiết diện nguyên đối với các trục tương ứng x-x, y-y

Ia độ cứng

J mômen quán tính xoắn

Ze môđun chống uốn tiết diện hữu hiệu đối với thớ biên chịu nén (kéo)

b) Cường độ và ứng suất

E Môđun đàn hồi của hợp kim nhôm

Ed Giá trị thiết kế của tác động

G Môđun đàn hồi trượt của hợp kim nhôm

f u Giới hạn bền

f y Giới hạn chảy

f o Cường độ đặc trưng cho nén và chảy dẻo toàn bộ trong vùng kéo và

vùng nén

f a Cường độ đặc trưng cho khả năng chịu lực cục bộ của tiết diện

f v Cường độ đặc trưng trong vùng cắt

f s Cường độ đặc trưng ổn định tổng thể

c) Ngoại lực và nội lực

H Tải trọng ngang hoặc phản lực

M* mômen uốn tính toán

Ms mômen danh nghĩa của tiết diện khi tính toán về bền

Mb mômen danh nghĩa của tiết diện khi tính toán về ổn định

Mc mômen tới hạn

M0 mômen oằn đàn hồi

d) Kí hiệu các thông số

 hệ số bề rộng hữu hiệu

 độ mảnh của tấm

 hệ số Poisson

k hệ số điều kiện gối tựa của tấm và trạng thái ứng suất

 thể hiện sự phân bố ứng suất

b hệ số độ chịu lực khi uốn

Iw hằng số vênh

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Viện Công nghệ Công nghiệp Nghiên cứu (ITRI), Đài Loan Hình 1.2 The Crystal, London, Vương Quốc Anh

Hình 1.3 Bolshoy Ice Dome, Coastal Cluste, Sochi, Liên Bang Nga Hình 1.4 Skating Palace , Coastal Cluste, Sochi, Liên Bang Nga Hình 1.5 Trung tâm tài chính thế giới, Thượng Hải, Trung Quốc Hình 1.6 Tòa tháp Burj Khalifa, Dubai

Hình 1.7 Tòa tháp Al Bahr Towers, Dubai

Hình 1.8 Bảo Tàng Museo Soumaya, Mexico City

Hình 1.9 Nhà máy xử lý chất thải Marchwood, Vương Quốc Anh Hình 1.10 Nhà máy xử lý chất thải Marchwood, Vương Quốc Anh Hình 1.11 Vòm Kayseri, Thổ Nhĩ Kỳ

Hình 1.12 Hai mái vòm 68m, Mersin, Thổ Nhĩ Kỳ

Hình 1.13 Vòm Lafarge Exshaw, Canada

Hình 1.14 Bên trong vòm Ruwais

Hình 1.15 Vòm Rawais, Abu Dhabi

Hình 1.16 Trụ sở ngân hàng Hồng Kông – Thượng Hải

Hình 1.17 Tháp Tower,Tokyo, Nhật Bản

Hình 1.18 Hearst Tower, New York

Hình 1.19 Pittsburgh Pennsylvania

Hình 1.20 Thanh Đảo Oriental Cinema sử dụng 100 tấn nhôm mạ và

13.000m 2 tấm nhôm Hình 1.21 Ga Quảng Châu sử dụng 10 tấn mạ nhôm và 12.500m 2 tấm

nhôm Hình 1.22 Sân vận động Wembley ở London, Anh

Hình 1.23 Estadio Azteca ở Mexico City, Mexico

Hình 1.24 Sân bay quốc tế Kansai, Nhật Bản

Hình 1.25 Sage Gateshead, Gateshead Quays, Vương Quốc Anh Hình 1.26 Công viên giải trí Ferrari World ở Abu Dhabi

Hình 1.27 Cầu Arvida, Canada

Hình 1.28 Hà Nội Landmark 72, Việt Nam

Hình 1.29 Khách sạn Novotel Đà Nẵng Premier Hàn River Hình 1.30 Tháp Bitexco

Hình 2.31 Biểu đồ ứng suất – biến dạng của hợp kim nhôm

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

Bảng 2.1 Hệ thống chỉ số hợp kim nhôm rèn (AWS)

Bảng 2.2 Hệ thống chỉ số hợp kim nhôm đúc (ACS)

Bảng 2.3 Chỉ số cơ bản về độ cứng

Bảng 2.4 Ký hiệu hợp kim nhôm rèn sử dụng trong kết cấu Bảng 2.5 Giới hạn chảy ƒ 0 , giới hạn bền ƒ u , (không hàn và hàn), độ

dãn dài min, hệ số giảm ρ 0,haz và ρ u,haz , n p của hợp kim nhôm

rèn – tấm dải, bản

Bảng 2.6 Giới hạn chảy ƒ 0 , giới hạn bền ƒ u , (không hàn và hàn), độ

dãn dài min, hệ số giảm ρ 0,haz và ρ u,haz , n p của hợp kim nhôm rèn – Định hình, ống ép dập/thỏi ép dập và ống kéo Bảng 2.7 Hợp kim nhôm đúc sử dụng trong kết cấu

Bảng 2.8 Giới hạn chảy ƒ 0 , giới hạn bền ƒ u của hợp kim nhôm đúc Bảng 2.9 Ký hiệu nhôm theo TCVN 1659-75

Bảng 2.10 Tính chất cơ lý của một số hợp kim nhôm dạng thanh, thỏi,

ống và prôfin TCVN 5839-1994 Bảng 2.11 Quy đổi một số hợp kim nhôm theo TCVN và Eurocode 9 Bảng 2.12 Biến dạng cho phép của kết cấu

Bảng 2.13 Các dạng tiết diện hay sử dụng và công thức

1

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Các kết cấu đỡ mặt kính của các tòa nhà chọc trời, kết cấu đỡ các tấm vách ngăn của các văn phòng sử dụng hệ kết cấu khung nhôm có trọng lượng nhẹ, khỏe và mạnh mẽ Trung tâm giải trí, thương mại và triển lãm đều sử dụng hệ khung nhôm Hệ thống kết cấu sân vận động, các mái của khu vui chơi, bể bơi và các cơ sở thể thao khác cũng sử dụng các kết cấu nhôm Như vậy hiện nay kết cấu hợp kim nhôm đã trở thành một trong những vật liệu phổ biến trong xây dựng

Với chủ trương đổi mới mang tính đón đầu của Đảng và nhà nước “ nâng cao đời sống dân trí, phát triển mạnh về kinh tế, hội nhập sâu rộng với cộng đồng quốc tế ” điều này đòi hỏi ngành xây dựng cần có những bước tiến đột phá trong việc nghiên cứu và sử dụng các hệ kết cấu với các loại vật liệu mới Kết cấu dùng vật liệu hợp kim nhôm là một trong những kết cấu cần thiết phải nghiên cứu áp dụng

Kết cấu xây dựng chế tạo từ vật liệu nhôm và hợp kim nhôm (gọi tắt là kết cấu hợp kim nhôm) có đầy đủ các ưu điểm của kết cấu kim loại nói chung, đó là tính công nghiệp hóa trong chế tạo, dễ tháo lắp, vận chuyển, độ tin cậy và tuổi thọ cao, vượt khẩu độ lớn Kết cấu hợp kim nhôm là loại kết cấu có trọng lượng nhẹ trong các loại kết cấu xây dựng hiện nay Nhờ trọng lượng nhẹ nên việc sử dụng kết cấu hợp kim nhôm trong các công trình xây dựng, đặc biệt là trong các công trình cao tầng và công trình khẩu độ lớn làm giảm đáng kể trọng lượng công trình dẫn đến phương án móng tiết kiệm hơn Điều này có ý nghĩa rất lớn khi thiết kế công trình cao tầng chịu tải gió và động đất

So với các loại vật liệu truyền thống trong xây dựng như bê tông và thép thì nhôm là vật liệu tương đối mới Từ những năm 60 của thế kỷ XX, kết cấu nhôm được áp dụng rộng rãi tại Mỹ và Châu Âu Theo số liệu thống kê

thì riêng tại Mỹ, Nga, Anh và Canada vật liệu nhôm dùng trong xây dựng chiếm khoảng 20% tổng sản lượng nhôm của họ

Việc tính toán thiết kế kết cấu hợp kim nhôm đã được nhiều nước đưa vào chương trình giảng dạy ở bậc đại học, trên cơ sở của các tiêu chuẩn thiết

kế phổ biến trên thế giới như SNiP, Eurocode 9…Tại Việt Nam, kết cấu hợp kim nhôm sử dụng khá nhiều trong xây dựng, nhất là trong thời gian gần đây

Để kết cấu này được ứng dụng phù hợp với điều kiện ở Việt Nam, chúng ta cần có nhiều nghiên cứu tính toán về loại kết cấu hợp kim nhôm này Với mục đích như vậy, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tính toán kết cấu hợp kim nhôm chịu nén uốn” nhằm mục đích tìm hiểu việc tính toán loại kết cấu mới

mẻ ở Việt Nam

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu phạm vi áp dụng, các đặc điểm về vật liệu, cấu tạo của các kết cấu hợp kim nhôm

- Nghiên cứu lý thuyết tính toán kết cấu hợp kim nhôm chịu nén uốn theo tiêu chuẩn Eurocode 9

- Dựa vào kết quả tính toán đưa ra kết luận và kiến nghị

3 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết tính toán kết cấu hợp kim nhôm chịu nén uốn theo tiêu chuẩn Eurocode 9

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết tính toán theo tiêu chuẩn Eurocode 9 (EN

1999-1-4 : 2007)

- Sử dụng lý thuyết để thực hiện các ví dụ tính toán

5 Ý nghĩa thực tiễn

- Nâng cao kiến thức chuyên môn khi học Cao học

- Các kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư xây dựng, các luận văn thạc sĩ; là cơ sở để thiết kế nhà xưởng, nhà cao tầng dùng kết cấu hợp kim nhôm ờ Việt Nam

3

6 Cấu trúc luận văn

Chương 1: Tổng quan chung về kết cấu hợp kim nhôm

Chương 2: Nghiên cứu tính toán cấu kiện hợp kim nhôm chịu nén uốn Chương 3: Ví dụ tính toán

Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui

lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện

– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội

Email: digilib.hau@gmail.com

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

77

1 Kết luận

Luận văn nghiên cứu một số nguyên tắc tính toán cấu kiện hợp kim nhôm chịu nén uốn theo tiêu chuẩn Eurocode 9 Qua những nội dung đã trình bày cho phép rút ra một số nhận xét như sau:

Khái quát về những ưu, nhược điểm và phạm vi áp dụng của kết cấu hợp kim nhôm trên thế giới và Việt Nam;

Mặc dù kết cấu hợp kim nhôm được áp dụng phổ biến trên thế giới nhưng ở Việt Nam chỉ mới được sử dụng trong thời gian gần đây Loại kết cấu này có thể sử dụng làm kết cấu chịu lực hay kết cấu phụ trợ, trang trí trong các công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp

Hợp kim nhôm không bị rỉ trong môi trường khí quyển, có độ bền cao Kết cấu hợp kim nhôm có thể dễ dàng được chế tạo được các loại tiết diện thông thường bằng phương pháp kéo, uốn hay dập nguội Tái chế dễ dàng, tiết kiệm được năng lượng trong gia công và chế tạo Không bị nhiễm

từ, không gây ra tia lửa khi va đập

Khả năng chịu nén uốn của hợp kim nhôm khá lớn Theo ví dụ giảm đến 73% khối lượng so với thép thanh thành mỏng, giảm đến 81% khối lượng so với thép cán nóng

So với các loại vật liệu phổ biến như thép, bê tông cốt thép thì hợp kim nhôm có một số ưu điểm như trọng lương riêng nhỏ nên được sử dụng nhiều trong các hanga, mái vòm và mái trong sân vận động vượt khẩu độ lớn

Việc tính toán thiết kế kết cấu hợp kim nhôm được nhiều nước phát triển đưa vào trương trình giảng dạy ở bậc đại học trên cơ sở của các tiêu chuẩn thiết kế phổ biến trên thế giới như Snip, Eurocode 9 Tuy nhiên Việt Nam hiện nay có rất ít tài liệu đề cập đến vấn đề tính toán loại kết cấu này

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ

Kết cấu hợp kim nhôm có khả năng sử dụng nhiều trong tương lai do

có trọng lượng nhẹ, vượt được nhịp lớn, khả năng chịu ăn mòn cao, chịu được tải trọng động tốt

2 Khuyến nghị

Qua nghiên cứu kết cấu hợp kim nhôm có những ưu điểm nổi bật như

độ bền cao, trọng lượng nhẹ, tính công nghiệp hóa cao, dễ tháo lắp, vận chuyển và thi công lắp dựng Đề tài khuyến nghị:

Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế riêng về kết cấu hợp kim nhôm nên có thể áp dụng Eurocode 9 vào quá trình tính toán Điều này cũng phù hợp với xu thế hội nhập quốc tế

Tuy nhiên tôi cũng kiến nghị nên nghiên cứu về các liên kết trong cấu kiện hợp kim nhôm để có thể đưa vào ứng dụng tại Việt Nam

79

Tiếng Việt

[1] Phạm Văn Hội, Kết cấu thép 2: Công trình dân dụng và công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật – Hà Nội (1998)

[2] Phạm Văn Hội, Kết cấu thép: Cấu kiện cơ bản, Nhà xuất bản Khoa

học và Kỹ thuật – Hà Nội (2006)

[3] Đoàn Định Kiến (2005), Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội, nhà xuất bản Xây dựng

[4] Đoàn Tuyết Ngọc, Bài giảng Tính toán kết cấu thép thanh thành mỏng

[5] Trần Văn Dy (2002), Thép hợp kim – Quy trình công nghệ sản suất,

nhà xuất bản Xây dựng

Tiếng Anh

[6] Eurocode 9: Design of aluminium structures – part 1 – 1: General

rules – General rules and rules for buildings

TÀI LIỆU THAM KHẢO