Đang tải... (xem toàn văn)
Hiện nay với chủ trương hiện đại hóa, công nghiệp hóa đất nước, Đảng và Nhà nước ta đã có nhiều chính sách mở cửa nền kinh tế, ưu tiên đầu tư phát triển các khu công nghiệp nhằm thu hút các nhà đầu tư trong nước và nước ngoài. Bài viết trình bày cách tính toán khung thép nhà công nghiệp dùng kết cấu thanh thành mỏng theo tiêu chuẩn châu Âu.
Tẩnh toắn khung thp nhầ sứ dệng thp thnh mẽng PGS.TS }o¿n Tut NgĐc Tóm tắt Bài báo trình bày cách tính tốn khung thép nhà cơng nghiệp dùng kết cấu thành mỏng theo tiêu chuẩn châu Âu Abstract This paper presents the calculation of industrial steel frames tructures using a thin bar according toEuropean standards PGS.TS Đoàn Tuyết Ngọc BM Kết cấu thép - gỗ, Khoa Xây dựng ĐT: 0904 235 723 Phản biện: PGS.TS Nguyễn Hồng Sơn Đặt vấn đề Hiện với chủ trương đại hóa, cơng nghiệp hóa đất nước, Đảng Nhà nước ta có nhiều sách mở cửa kinh tế, ưu tiên đầu tư phát triển khu công nghiệp nhằm thu hút nhà đầu tư nước nước ngồi Hàng loạt khu cơng nghiệp phát triển với nhà máy xây dựng khắp đất nước Các khu công nghiệp phát triển đồng nghĩa với ngành xây dựng công nghiệp phát triển Các phương pháp xây dựng truyền thống khơng phù hợp để tiến hành xây dựng với yêu cầu tốc độ phát triển linh hoạt Để vượt nhịp lớn, sức trục nặng, thời gian trước, nhà công nghiệp thường dùng khung thép với cột bậc, giàn mái thép hình Hiện nay, kết cấu thay khung thép nhẹ cột tiết diện không đổi, giàn mái thay dầm mái Kết cấu làm giảm đáng kể trọng lượng kết cấu, chi phí chế tạo, khối lượng vật liệu thời gian thi công Tuy nhiên giới kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội sử dụng phổ biến,tại Việt Nam, sử dụng (Tiêu chuẩn Việt Nam kết cấu chưa có) Do kết cấu có nhiều ưu điểm, phù hợp cho cơng trình mang tính đại hóa, cơng nghiệp hóa, cơng trình có nhịp rộng, sức trục vừa nhỏ Để có tính đột phá xây dựng cơng nghiệp, áp dụng phù hợp với điều kiện Việt Nam, cần có nhiều nghiên cứu kết cấu Với mục đích vậy, báo đề cập tới việc tính tốn khung thép nhẹ sử dụng kết cấu thép thành mỏng, tạo hình nguội theo tiêu chuẩn châu Âu Kết cấu thép nhà công nghiệp T¿i lièu tham khÀo GS TS Đoàn Định Kiến, Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội, NXB Xây dựng, 2009 PGS.TS Phạm Minh Hà, Thiết kế khung thép nhà công nghiệp tầng nhịp NXB Xây dựng, 2008 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN2737:1995, Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN338:2012, Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế European Standard Eurocode 3: Design of steel structure Part 1-1: General rules and rules for buildings, 2002 European Standard Eurocode 3: Design of steel structure Part 1-3: General rules supplemetary rules for cold-formed thin gauge members and sheeting, 2003 European Standard Eurocode 3: Design of steel structure Part 1-5: Plated structural elements, 2003 Zamil steel Pre-Engineered building design manual Khung thép nhà công nghiệp thông thường kết cấu khung tầng, nhịp (hoặc nhiều nhịp) có nhịp L = 18 ÷ 30m có cầu trục khơng có cầu trục (Hình 1) Cơng trình có nhịp lớn, nhiên vượt q 60m Khung có cấu tạo đơn giản, cột liên kết cứng với dầm mái, liên kết ngàm khớp với móng Tuy nhiên điều kiện Việt Nam, nơi có gió lớn, cột thường liên kết ngàm với móng để giảm chuyển vị ngang tăng độ cứng cho kết cấu khung Khung thường chế tạo linh hoạt, có nhịp lớn mà cần sử dụng khơng gian nhỏ để làm nhà kho, nhà điều hành, nhà xưởng dùng kết cấu khung có cột chống (Hình 1.b) Một dạng khung khác thường sử dụng khung tựa khung mái dốc (Hình 1.c, 1.d) Khung tựa thường có nhịp khơng lớn, dùng cần bổ sung thêm nhịp vào khung sẵn có Dầm khung tựa liên kết khớp với cột khung Trong thực tế, tùy theo yêu cầu cơng trình mà linh hoạt lựa chọn sơ đồ cho hợp lý sử dụng, đảm bảo độ cứng cho cơng trình, mang lại hiệu giá thành Tính tốn khung thép sử dụng tiết diện thành mỏng Các cấu kiện khung thép nhà công nghiệp chịu lực thường chịu nén, uốn nén uốn Khi chế tạo từ thép thành mỏng, ổn định cấu kiện có đặc trưng riêng 3.1 Các dạng ổn định cấu kiện thành mỏng Cấu kiện thành mỏng chịu nén, nén uốn có dạng tiết diện đơn tổ hợp, tiết diện kín Khi ổn định thường gặp dạng sau: • Mất ổn định cục bộ: Là tượng xảy trục thẳng S¬ 19 - 2015 43 KHOA H“C & CôNG NGHê nhng cỏc phn t ca (bn bng, cánh, sườn) bị vênh khỏi mặt phẳng tạo thành sóng Chiều dài nửa bước sóng dạng ổn định cục nhỏ nhất, có giá trị xấp xỉ bề rộng • Mất ổn định tổng thể: Là tượng xảy tiết diện giữ ngun hình dạng trục khơng thẳng bị uốn xoắn đồng thời, tạo thành sóng Chiều dài nửa bước sóng dạng ổn định tổng thể có bước sóng lớn nhất, có giá trị xấp xỉ chiều dài • Mất ổn định vênh phần tiết diện: Là tượng xảy cánh sườn bị vênh xoay quanh cạnh liên kết cánh bụng tạo thành sóng Bản bụng bị chuyển vị vng góc với bề mặt Dạng ổn định có chiều dài nửa bước sóng trung gian nằm khoảng giá trị nửa bước sóng dạng ổn định 3.1.a Mất ổn định cục bộ, bề rộng hữu hiệu chịu nén Các phần tử cấu kiện thành mỏng chịu nén thường bị ổn định cục Theo lý thuyết tính tốn Timoshenko, chữ nhật có cạnh a × b, chiều dày t, chịu ứng suất nén đều, ứng suất tới hạn σcrcủa là: = σ cr kπ E / 12 (1 − µ ) ( b / t ) (3-1) E: modun đàn hồi thép; μ: hệ số phụ thuộc vào điều kiện gối tựa trạng thái ứng suấtcủa Sau ứng suất đạt tới giá trị tới hạn, bị oằn khơng bị phá hủy, có khả chịu thêm lực Khi tăng tải trọng phần ứng suất chuyển sang hai bên có giá trị lớn σcr Ứng suất tăng tới đặt tới ứng suất chảy fy bị phá hủy Như vậy, bị oằn chuyển đổi thành có bề rộng nhỏ be cho ứng suất tới hạn fy Như việc tính tốn ổn định cục trở thành việc tính tốn bề rộng hữu hiệu Từ (3-1) ta có: (3-2) Chia (3-2) cho (3-1) be = b σ cr fy → b= ρ b e bp: kích thước danh định (tấm thẳng bp = b, cong bỏ qua góc uốn tính phần thẳng) 3.1.b Mất ổn định vênh phần tiết diện Hiện tượng ổn định vênh phần tiết diện thường xảy với thành mỏng tiết diện hở chịu nén Chẳng hạn, tiết diện chữ [ có sườn Phần cánh sườn bị vênh xoay quanh góc liên kết cánh bụng Khi tính toán ổn định vênh phần tiết diện, tiêu chuẩn Eurocode cho phần biên làm việc cấu kiện chịu nén tựa lên gối đàn hồi liên tục Độ cứng đàn hồi k gối xác định dựa độ võng δ phần biên chịu tác dụng tải trọng phân bố đơn vị lên trọng tâm phần biên: Et × 4(1 − µ ) 1,5bp hp + bp3 (3-7) hp, bp: bề rộng bụng cánh tiết diện k = Ứng suất tới hạn gây ổn định vênh phần tiết diện: σ cr = Trong đó: = f y kπ E / 12 (1 − µ ) ( be / t ) kσ: hệ số oằn phụ thuộc vào điều kiện biên trạng thái ứng suất xác định theo ([6], bảng 4.1, bảng 4.2) (3-8) As As, Is: diện tích momen quán tính tiết diện hữu hiệu phần biên Tính tốn ổn định vênh phần tiết diện ổn định cục theo tiêu chuẩn Eurocode thực trình lặp, gồm bước sau: Bước 1: Giả thiết sơ đồ tính tiết diện phần cánh (gồm cánh sườn) (Hình 2) Bước 2: Xác định tiết diện hữu hiệu cánh ứng với ứng suất tới hạn σcom=fy /γMo giả thiết sườn biên liên kết cứng k = ∞ (γMo hệ số an toàn ổn định vênh phần tiết diện [6]) Bề rộng hữu hiệu cánh xác định (3-3) Bề rộng hữu hiệu sườn xác định (3-3) hệ số oằn kσ xác định phụ C C thuộc vào tỷ số p Nếu p ≤ 0,35 kσ=0,5 Nếu bp bp (3-3) ρ: hệ số bề rộng hữu hiệu xác định sau: χ: hệ số giảm yếu ổn định vênh phần tiết − 0, 22λ p λ p > 0, 673 → ρ = diện λp χ ∈ λr ; λr = f y / σ er , s λ p : độ mảnh tính: ε= 44 fy bp = 1, 052 σ cr t fy bp / t = E.kσ 28, 4ε kσ Bước 4: Xác định ứng suất quy đổi σcr=χ.fy/γMo (3-4) Khi λ p ≤ 0, 673 → ρ = = λp Cp C ≤ 0, kσ = 0,5 − 0,833 p − 0,35 bp b p Bước 3: Dựa bề rộng hữu hiệu xác định bước Tính độ cứng lò xo k ứng suất tới hạn σcr,s theo (3-7) (3-8) 0,35 < KEI s Nếu λr ≤ 0, 65; χ = (3-5) 235 (3-6) fy T„P CHŠ KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG 0, 65 < r ≤ 1,38; χ = 1, 47 − 0, 723λr 1,38 < λr ; χ = 0, 66 / λr Hình Sơ đồ kết cấu khung thép nhẹ Hình Sơ đồ tính tiết diện cánh Hình Sơ đồ kết cấu Bước 5: Dùng σcr bước thực lại bước 2, 3, (thay σcom= σcr) χn~χ(n-1) λ : Độ mảnh tỷ đối: λ = λ β (3-13) A λ1 λ: độ mảnh cột theo phương y z; χn 0, 673 2,1.105.0, 43 ( = ρ 0,147; = beff 14, 4mm Aeff , z = 915, 47 mm ; I eff , z = 1471745mm ; ) Tính ΔMy,sd; ΔMz,sd ∆M y ,sd = N sd eNy= 15980,9 × (114,59 − 98) = 249142, 231Nmm S¬ 19 - 2015 47 KHOA HC & CôNG NGHê 4.2 Tớnh toỏn kim tra tit diện dầm ∆M z= N sd e= 15980,9 × ( 98 − 64, ) , sd Nz Tương tự cột, cách xác định đặc trưng dầm tiến hành phần thực = 552939,14 Nmm Tính Ky, Kz µ y N sd µ z N sd Ky = 1− ; Kz = 1− χ y f yb Aeff χ z f yb Aeff µ= λ y ( β M , y − ) ; µ= λz ( β M , z − ) y z Với tiết diện nguyên = Ag 1486 = mm ; I y 9378024 = mm ; I y 2499545mm = J 1605 = mm ; i y 79, 44mm βM,y; βM,z xác định theo [6] Diện tích tiết diện hữu hiệu, momen quán tính hữu hiệu chịu nén xác định qua vòng lập với χ2