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 TỐN CẤU KIỆN HỢP KIM NHƠM CHỊU NÉN UỐN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI TRẦN QUANG HUY KHĨA: 2015 – 2017 NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN CẤU KIỆN HỢP KIM NHÔM CHỊU NÉN UỐN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐOÀN TUYẾT NGỌC Hà Nội – 2017 LỜI CẢM ƠN Trước hết tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới tất thầy cô Khoa sau đại học – Trường đại học kiến trúc Hà Nội giúp đỡ dẫn nhiệt tình trình học tập trình làm luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn cô giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS Đoàn Tuyết Ngọc tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu cho tơi suốt q trình thực hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn bạn đồng nghiệp lớp 15X4-VL đồng hành giúp đỡ tơi suốt q trình học tập thực luận văn Hà Nội, ngày 25 tháng 04 năm 2017 Tác giả Trần Quang Huy LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đề tài nghiên cứu riêng Các kết quả, số liệu luận văn trung thực chưa có cơng bố đề tài nghiên cứu Hà Nội, ngày 25 tháng 04 năm 2017 Tác giả Trần Quang Huy MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Danh mục kí hiệu Danh mục hình ảnh Danh mục bảng CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU HỢP KIM NHÔM 1.1.Giới thiệu chung kết cấu hợp kim nhôm 1.2.Ưu nhược điểm kết cấu hợp kim nhôm 1.3.Phạm vi áp dụng CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN CẤU KIỆN HỢP KIM NHÔM CHỊU NÉN UỐN 26 2.1 Vật liệu dạng hợp kim nhôm 26 a Vật liệu 26 b Các dạng hợp kim nhôm 27 2.2 Sự làm việc tính chất lý hợp kim nhôm 28 2.2.1 Sự làm việc 28 2.2.2 Tính chất lý hợp kim nhôm 28 a Theo Eurocode 28 b Theo TCVN Việt Nam 1659 – 75 39 2.3 Phương pháp tính tốn cấu kiện hợp kim nhơm 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 tốn cấu kiện hợp kim nhơm 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 TỐN 57 3.1 Vật liệu thép thành mỏng: 57 3.1.1 Các đặc trưng hình học 57 3.1.2 Tính khả chịu lực chịu lực danh nghĩa cấu kiện 59 3.1.3 Tính Mb theo cường độ chảy oằn bên 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 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 bt Khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ kéo ngồi beff Chiều rộng hữu hiệu bp Chiều rộng cánh tính từ tim góc uốn bw Chiều rộng thơng thủy đường hàn c Chiều rộng phẳng cánh h Chiều cao tiết diện ds chiều dài mép t bề dày ri bán kính bên góc cong ro1 bán kính cực tiết diện tâm uốn ix , iy bán kính quán tính tiết diện trục tương ứng x-x, y-y Ix , Iy mơmen qn tính tiết diện ngun trục tương ứng x-x, y-y Ia độ cứng J mơmen qn tính xoắn Ze mơđun chống uốn tiết diện hữu hiệu thớ biên chịu nén (kéo) b) Cường độ ứng suất E Môđun đàn hồi hợp kim nhôm Ed Giá trị thiết kế tác động G Môđun đàn hồi trượt hợp kim nhôm fu Giới hạn bền fy Giới hạn chảy fo Cường độ đặc trưng cho nén chảy dẻo toàn vùng kéo vùng nén fa Cường độ đặc trưng cho khả chịu lực cục tiết diện fv Cường độ đặc trưng vùng cắt fs Cường độ đặc trưng ổn định tổng thể c) Ngoại lực nội lực H Tải trọng ngang phản lực M* mơmen uốn tính tốn Ms mơmen danh nghĩa tiết diện tính tốn bền Mb mơmen danh nghĩa tiết diện tính tốn ổn định Mc mômen tới hạn M0 mômen oằn đàn hồi d) Kí hiệu thơng số  hệ số bề rộng hữu hiệu  độ mảnh  hệ số Poisson k hệ số điều kiện gối tựa trạng thái ứng suất  thể phân bố ứng suất b hệ số độ chịu lực uốn Iw số vênh DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Số hiệu hình Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Tên hình Viện Cơng nghệ Cơng nghiệp Nghiên cứu (ITRI), Đài Loan The Crystal, London, Vương Quốc Anh 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 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 vòm Ruwais Hình 1.15 Vòm Rawais, Abu Dhabi Hình 1.16 Trụ sở ngân hàng Hồng Kơng – 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 nhôm mạ 13.000m2 nhơm Hình 1.21 Ga Quảng Châu sử dụng 10 mạ nhôm 12.500m2 nhôm Hình 1.22 Sân vận động Wembley London, Anh Hình 1.23 Estadio Azteca 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 Cơng viên giải trí Ferrari World 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 hợp kim nhôm DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Bảng 2.1 Hệ thống số hợp kim nhôm rèn (AWS) Bảng 2.2 Hệ thống số hợp kim nhôm đúc (ACS) Bảng 2.3 Chỉ số độ cứng Bảng 2.4 Ký hiệu hợp kim nhôm rèn sử dụng kết cấu Bảng 2.5 Giới hạn chảy ƒ0 , giới hạn bền ƒu , (không hàn hàn), độ dãn dài min, hệ số giảm ρ0,haz ρu,haz , np hợp kim nhôm rèn – dải, Bảng 2.6 Giới hạn chảy ƒ0 , giới hạn bền ƒu , (không hàn hàn), độ dãn dài min, hệ số giảm ρ0,haz ρu,haz , np hợp kim nhôm rèn – Định hình, ống ép dập/thỏi ép dập ống kéo Bảng 2.7 Hợp kim nhôm đúc sử dụng kết cấu Bảng 2.8 Giới hạn chảy ƒ0 , giới hạn bền ƒu hợp kim nhôm đúc Bảng 2.9 Ký hiệu nhơm theo TCVN 1659-75 Bảng 2.10 Tính chất lý số hợp kim nhôm dạng thanh, thỏi, ống prôfin TCVN 5839-1994 Bảng 2.11 Quy đổi số hợp kim nhôm theo TCVN Eurocode Bảng 2.12 Biến dạng cho phép kết cấu Bảng 2.13 Các dạng tiết diện hay sử dụng công thức MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Các kết cấu đỡ mặt kính tòa nhà chọc trời, kết cấu đỡ vách ngăn văn phòng sử dụng hệ kết cấu khung nhơm có trọng lượng nhẹ, khỏe mạnh mẽ Trung tâm giải trí, thương mại triển lãm sử dụng hệ khung nhôm Hệ thống kết cấu sân vận động, mái khu vui chơi, bể bơi sở thể thao khác sử dụng kết cấu nhôm Như kết cấu hợp kim nhôm trở thành vật liệu phổ biến xây dựng Với chủ trương đổi mang tính đón đầu Đảng nhà nước “ nâng cao đời sống dân trí, phát triển mạnh kinh tế, hội nhập sâu rộng với cộng đồng quốc tế ” điều đòi hỏi ngành xây dựng cần có bước tiến đột phá việc nghiên cứu sử dụng hệ kết cấu với loại vật liệu Kết cấu dùng vật liệu hợp kim nhôm kết cấu cần thiết phải nghiên cứu áp dụng Kết cấu xây dựng chế tạo từ vật liệu nhôm hợp kim nhôm (gọi tắt kết cấu hợp kim nhơm) có đầy đủ ưu điểm kết cấu kim loại nói chung, tính cơng nghiệp hóa chế tạo, dễ tháo lắp, vận chuyển, độ tin cậy tuổi thọ cao, vượt độ lớn Kết cấu hợp kim nhôm loại kết cấu có trọng lượng nhẹ loại kết cấu xây dựng Nhờ trọng lượng nhẹ nên việc sử dụng kết cấu hợp kim nhôm công trình xây dựng, đặc biệt cơng trình cao tầng cơng trình độ lớn làm giảm đáng kể trọng lượng cơng trình dẫn đến phương án móng tiết kiệm Điều có ý nghĩa lớn thiết kế cơng trình cao tầng chịu tải gió động đất So với loại vật liệu truyền thống xây dựng bê tông thép nhơm vật liệu tương đối Từ năm 60 kỷ XX, kết cấu nhôm áp dụng rộng rãi Mỹ Châu Âu Theo số liệu thống kê riêng Mỹ, Nga, Anh Canada vật liệu nhôm dùng xây dựng chiếm khoảng 20% tổng sản lượng nhôm họ Việc tính tốn thiết kế kết cấu hợp kim nhơm nhiều nước đưa vào chương trình giảng dạy bậc đại học, sở tiêu chuẩn thiết kế phổ biến giới SNiP, Eurocode 9…Tại Việt Nam, kết cấu hợp kim nhôm sử dụng nhiều xây dựng, thời gian gần Để kết cấu ứng dụng phù hợp với điều kiện Việt Nam, cần có nhiều nghiên cứu tính tốn loại kết cấu hợp kim nhơm Với mục đích vậy, tơi chọn đề tài “Nghiên cứu tính tốn kết cấu hợp kim nhơm chịu nén uốn” nhằm mục đích tìm hiểu việc tính tốn loại kết cấu mẻ Việt Nam Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu phạm vi áp dụng, đặc điểm vật liệu, cấu tạo kết cấu hợp kim nhôm - Nghiên cứu lý thuyết tính tốn kết cấu hợp kim nhơm chịu nén uốn theo tiêu chuẩn Eurocode - Dựa vào kết tính tốn đưa kết luận kiến nghị Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết tính tốn kết cấu hợp kim nhơm chịu nén uốn theo tiêu chuẩn Eurocode Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết tính tốn theo tiêu chuẩn Eurocode (EN 1999-14 : 2007) - Sử dụng lý thuyết để thực ví dụ tính toán Ý nghĩa thực tiễn - Nâng cao kiến thức chuyên môn học Cao học - Các kết nghiên cứu tài liệu tham khảo cho kỹ sư xây dựng, luận văn thạc sĩ; sở để thiết kế nhà xưởng, nhà cao tầng dùng kết cấu hợp kim nhôm Việt Nam 3 Cấu trúc luận văn Chương 1: Tổng quan chung kết cấu hợp kim nhôm Chương 2: Nghiên cứu tính tốn cấu kiện hợp kim nhơm chịu nén uốn Chương 3: Ví dụ tính tốn THƠNG BÁO Để xem phần văn 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 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Kết luận Luận văn nghiên cứu số ngun tắc tính tốn cấu kiện hợp kim nhôm chịu nén uốn theo tiêu chuẩn Eurocode Qua nội dung trình bày cho phép rút số nhận xét sau: Khái quát ưu, nhược điểm phạm vi áp dụng kết cấu hợp kim nhôm giới Việt Nam; Mặc dù kết cấu hợp kim nhôm áp dụng phổ biến giới Việt Nam sử dụng thời gian gần Loại kết cấu sử dụng làm kết cấu chịu lực hay kết cấu phụ trợ, trang trí cơng trình xây dựng dân dụng, công nghiệp Hợp kim nhôm không bị rỉ môi trường khí quyển, có độ bền cao Kết cấu hợp kim nhơm dễ dàng chế tạo loại tiết diện thông thường phương pháp kéo, uốn hay dập nguội Tái chế dễ dàng, tiết kiệm lượng gia công chế tạo Không bị nhiễm từ, không gây tia lửa va đập Khả chịu nén uốn hợp kim nhôm lớn Theo ví dụ giảm đến 73% khối lượng so với thép thành mỏng, giảm đến 81% khối lượng so với thép cán nóng So với loại vật liệu phổ biến thép, bê tông cốt thép hợp kim nhơm có số ưu điểm trọng lương riêng nhỏ nên sử dụng nhiều hanga, mái vòm mái sân vận động vượt độ lớn Việc tính tốn thiết kế kết cấu hợp kim nhôm nhiều nước phát triển đưa vào trương trình giảng dạy bậc đại học sở tiêu chuẩn thiết kế phổ biến giới Snip, Eurocode Tuy nhiên Việt Nam có tài liệu đề cập đến vấn đề tính tốn loại kết cấu 78 Kết cấu hợp kim nhơm có khả sử dụng nhiều tương lai có trọng lượng nhẹ, vượt nhịp lớn, khả chịu ăn mòn cao, chịu tải trọng động tốt Khuyến nghị Qua nghiên cứu kết cấu hợp kim nhơm có ưu điểm bật độ bền cao, trọng lượng nhẹ, tính cơng nghiệp hóa cao, dễ tháo lắp, vận chuyển thi công lắp dựng Đề tài khuyến nghị: Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế riêng kết cấu hợp kim nhơm nên áp dụng Eurocode vào q trình tính tốn Điều phù hợp với xu hội nhập quốc tế Tuy nhiên kiến nghị nên nghiên cứu liên kết cấu kiện hợp kim nhơm để đưa vào ứng dụng Việt Nam 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phạm Văn Hội, Kết cấu thép 2: Cơng trình dân dụng cơng nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật – Hà Nội (1998) [2] Phạm Văn Hội, Kết cấu thép: Cấu kiện bản, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật – Hà Nội (2006) [3] Đoàn Định Kiến (2005), Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội, nhà xuất Xây dựng [4] Đồn Tuyết Ngọc, Bài giảng Tính toán kết cấu thép thành mỏng [5] Trần Văn Dy (2002), Thép hợp kim – Quy trình cơng nghệ sản suất, nhà xuất Xây dựng Tiếng Anh [6] Eurocode 9: Design of aluminium structures – part – 1: General rules – General rules and rules for buildings  ... KẾT CẤU HỢP KIM NHÔM 1.1.Giới thiệu chung kết cấu hợp kim nhôm 1.2.Ưu nhược điểm kết cấu hợp kim nhôm 1.3.Phạm vi áp dụng CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN CẤU KIỆN HỢP KIM NHÔM... dùng kết cấu hợp kim nhôm Việt Nam 3 Cấu trúc luận văn Chương 1: Tổng quan chung kết cấu hợp kim nhôm Chương 2: Nghiên cứu tính tốn cấu kiện hợp kim nhơm chịu nén uốn Chương 3: Ví dụ tính tốn... kết cấu hợp kim nhôm - Nghiên cứu lý thuyết tính tốn kết cấu hợp kim nhơm chịu nén uốn theo tiêu chuẩn Eurocode - Dựa vào kết tính tốn đưa kết luận kiến nghị Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu lý