Bài viết này giới thiệu việc kiểm tra thanh cánh có kể đến mô men uốn tại vị trí nối so le và khảo sát ảnh hưởng của độ lệch tâm do nối chồng thanh cánh đến ổn định của thanh theo tiêu chuẩn Nga (SNiP II-23-81*).
Nghiên cứu ảnh hưởng độ lệch tâm vị trí nối chồng đến độ ổn định cánh tháp thép tiết diện góc đơn Studying the influence of eccentricity at overlapping connections on the stability of single angle chords of the steel tower Phạm Thanh Hùng Tóm tắt Tháp thép có chiều cao nhỏ thường cấu tạo từ thép góc đơn, chúng có hai mặt phẳng vng góc với nên dễ liên kết với Tuy nhiên, chiều cao tháp thép lớn nên cánh phải nối, cánh nối chồng trực tiếp (nối so le) hay nối thông qua táp thép Liên kết chồng tạo nên lệch trục hai cánh tham gia vào liên kết Sự lệch trục gây thêm mô men uốn cục tác dụng lên cánh vị trí mối nối Bài báo giới thiệu việc kiểm tra cánh có kể đến mơ men uốn vị trí nối so le khảo sát ảnh hưởng độ lệch tâm nối chồng cánh đến ổn định theo tiêu chuẩn Nga (SNiP II-23-81*) Từ khóa: Tháp thép, thép góc, liên kết chồng Abstract Single angle steels are the ideal candidates for constructing the low-rise steel towers thanks to its simplicity in connection Since the excessive lengths are often required for the chords using the steel towers, it can assemble by combining several single angle steel components via an overlapping connection or thru a cover steel plate Due to the effects of overlapping connection, the eccentricity problems may arise in the joining members which would introduce additional local bending moments to the components at the connecting locations In this paper, the Russian Standard (SNiP II-23-81*) was used to perform the design check for the chords with considering the additional bending momen at the overlapping connection and studying the influence of eccentricity at overlapping connections on the stability of single angle chords of the steel tower Keywords: Steel tower, steel angle, overlapping connection TS Phạm Thanh Hùng Khoa Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Email: phamthanhhung.hau@gmail.com ĐT: 0948691886 Đặt vấn đề Hiện nay, cơng trình tháp thép ngày phổ biến, thường dùng làm tháp truyền hình, cột đường dây tải điện, cột ăng ten vô tuyến, cột giàn khoan… Kết cấu tháp thường hệ không gian ba mặt trở lên, cấu tạo từ cánh bụng Tiết diện thường sử dụng thép góc, thép ống, thép hình chữ I hay tổ hợp từ thép góc Với loại tháp thép chiều cao thấp vừa tiết diện thép góc đơn (L) sử dụng phổ biến Tại vị trí nối chồng (so le) cánh, lực dọc tác dụng lên tiết diện (hình 2) có lệch trục gây mơ men uốn vị trí Việc tính tốn cánh theo TCVN [3,5], chưa đề cập cụ thể đến việc xác định mô men độ lệch trục gây Theo tiêu chuẩn Nga (SNiP II-2381*) [2] việc tính tốn cánh tính đến ảnh hưởng yếu tố gây mô men lệch trục cánh Trong giới hạn nội dung báo, trình bày cách kiểm tra ổn định cho cánh tiết diện thép góc đơn tháp có giằng bố trí đối xứng mặt kể đến độ lệch trục vị trí nối chồng theo tiêu chuẩn Nga Tính tốn cánh đốt có mối nối cánh Khi tính tốn cánh đốt có mối nối, phải tính tốn kiểm tra điều kiện: Ổn định cánh chịu nén; độ bền cánh chịu nén độ bền táp mối nối (nếu mối nối sử dụng táp) Các cánh chịu nén làm từ thép góc đơn với mối nối so le mối nối làm từ táp thép góc, cần tính cấu kiện chịu nén lệch tâm: N ≤ fγ c ϕe A (1) Trong đó: N - lực dọc tính tốn thanh; A - diện tích nguyên tiết diện; f - cường độ tính tốn thép; γc =1,0 - hệ số điều kiện làm việc; φe - hệ số, xác định theo Hình Sơ đồ tính cánh hệ giằng bố trí đối xứng mặt 1,2 - thép góc Hình Mặt cắt ngang vị trí mối nối 1, - tiết diện thép góc; 3, – trọng tâm tiết diện 1, S¬ 27 - 2017 57 KHOA HC & CôNG NGHê a) S tớnh b) H số chiều dài tính tốn đoạn Hình Đồ thị xác định chiều dài tính tốn đoạn bậc hai đầu khớp [1] bảng 74 [2] bảng II.2 [4], phụ thuộc vào độ mảnh quy ước λ = λ f / E độ lệch tâm quy đổi me = η m, hệ số ảnh hưởng hình dạng η =1,0 Giá trị φe cần lấy không lớn 0,95φ cho mối nối bu lơng với thép phía khơng lớn φ cho với tất dạng mối nối lại (φ - hệ số uốn dọc xác định theo bảng 72 [2] bảng II.1 [4]) Độ mảnh λ độ lệch tâm tương đối m cần xác định phụ thuộc vào mối nối cụ thể Trong tháp dạng giàn với giằng bố trí đối xứng mặt tháp mối nối giới hạn đoạn tháp, việc tính tốn cánh cần thực phù hợp với sơ đồ tính tốn (hình 1) Phân bố mô men nén lệch tâm thép góc liên kết vào mối nối cho phép lấy dầm liên tục ba nhịp Các độ lệch tâm tương đối cần xác định theo công thức tài liệu [1]: m1 = e0k A ( ) x1 () Imin ; = m2 e0 (1 − k ) A( ) x2 ( ) Imin , (2) Trong đó: e0 - khoảng cách trọng tâm thép góc nối (hình 2); k - phần mô men độ lệch tâm lực dọc mối nối tác dụng lên thép góc (hình 1); A(1), A(2) - diện tích tiết diện nguyên thép tiết diện góc 2; x1, x2 - khoảng cách từ trục y01 y02 đến thớ chịu nén nhiều thép góc 2; I(1)min, I(2)min - tương ứng mơ men qn tính nhỏ tiết diện 2, thép góc nối có tiết diện khác thép góc có tiết diện lớn quy định thép góc δ1p δ22 − δ2p δ12 δ11δ22 − δ12 (3) δ11 = χ1 + χ + ϑ1 + ϑ2 ; δ= L ( χ1 / + ϑ1 ) + L2m2 ( χ2 / + ϑ2 ) ; 22 δ= Lm2 ( χ / + ϑ2 ) − Lm1 ( χ1 / + ϑ1 ) ; 12 δ1p = χ + ϑ2 ; δ2p = Lm2 ( χ / + ϑ2 ) ; Lm1 Lm2 L m +1 Lm −1 = χ1 = ϑ1 = ;χ ;= ;ϑ ; 2 (1) ( \2 ) (1) ( 2) Imin Imin 3Imin 3Imin Độ mảnh thép góc cần xác định theo cơng thức tổng quát: λ =L / imin (5) Trong đó: L0 = µLm - chiều dài tính tốn thép góc; imin - bán kính qn tính nhỏ thép góc Hệ số chiều dài tính tốn µ1 thép góc cần xác định theo đồ thị hình 3, phụ thuộc vào tỉ lệ I(2)min/I(1)min Lm2/Lm Hệ số chiều dài tính tốn µ2 thép góc xác định theo biểu thức sau: (2 ) (1) µ = µ1 Imin / Imin (6) Ảnh hưởng độ lệch tâm nối chồng đến độ ổn định cánh 3.1 Ví dụ tính tốn Tính tốn kiểm tra ổn định cánh vị trí mối nối so le cho tháp khơng gian có mặt bố trí giằng dạng đối xứng Mối nối sử dụng liên kết hàn, lực dọc tính tốn N = 780kN, chiều dài đoạn tháp Lm = 150cm, chiều dài thép góc 1: Lm1 = 90cm, chiều dài thép góc 2: Lm2 = 60cm, chiều dài đoạn tháp liền kề Lm-1 = Lm+1 = 150cm, hình thức mối nối hình Mối nối thép góc cạnh L180x15 L150x15 Vật liệu thép có f = 21 kN/cm2 Các đặc trưng hình học thép góc: L150x15: A(2) = 43,0 cm2; I(1)min=370 cm4; i(1)min=2,93 cm; z(1)0=4,25 cm a) Kiểm tra ổn định thép góc có kể đến độ lệch trục: Khoảng cách trọng tâm hai thép góc mối nối chịu nén: m1 (4) Trong đó: Lm1, Lm2 - tương ứng chiều dài thép góc giới hạn chiều dài đoạn thứ m chứa mối nối; Lm+1, Lm-1 - tương ứng chiều dài đoạn thứ m+1 58 L180x15: A(1) = 52,1 cm2; I(1)min=653 cm4; i(1)min=3,54 cm; z(1)0=4,98 cm; Hệ số k xác định theo công thức sau [1] : k= m-1 liên kết với nút nút đoạn thứ m chứa mối nối T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG e= ( ) ) d(1) + z(0 ) − z(0= 2 (1,5 + 4,25 − 4,98= ) 1,09cm Khoảng cách từ trục y0 – y0 đến thớ chịu nén nhiều hơn: Thép góc - cánh chịu nén: () = x1 b( ) / − 2z= 18 / − ⋅ 4,98 = 5,70cm; Thép góc - lưng chịu nén: 1 Bảng Độ chênh độ ổn định cánh ( ∆ kôđ) kể đến độ lệch trục không kể đến độ lệch trục nối chồng hai cánh có tiết diện khác Thép góc L125x10 L125x12 L150x10 L150x15 L180x15 L200x16 Thép góc L100x10 L125x8 L125x10 L150x10 L150x15 L180x15 ∆ kơđ(1) -6,3% -20,8% -5,5% -20,8% -9,7% -11,9% ∆ kôđ(2) -7,2% -17,4% -5,8% -17,6% -10,5% -11,9% Bảng Độ chênh độ ổn định cánh ( ∆ kôđ) kể đến độ lệch trục không kể đến độ lệch trục nối chồng hai cánh có tiết diện giống Thép góc L150x10 L150x15 L180x15 L180x18 L200x16 L200x24 Thép góc L150x10 L150x15 L180x15 L180x18 L200x16 L200x24 ∆ kôđ(1) -15,8% -23,7% -19,0% -23,0% -17,1% -24,4% ∆ kôđ(2) -14,6% -25,5% -18,7% -24,1% -16,8% -27,3% λ( ) = 50,84 ; x = 2z(0 ) = ⋅ 4,25 =5,99cm Hệ số chiều dài tính tốn µ1 =1,2 thép góc xác định theo đồ thị hình 3, phụ thuộc vào hai tham số: ( ) () = Imin /Imin () λ= 50,84 m1 = 0,288 = 370/653 0,75 Lm2/Lm=60/150=0,4 Hệ số chiều dài tính tốn thép góc xác định theo (6): µ2 = 1,2.0,75 = 0,9 Tra bảng 72, 74 [2] bảng II.1, II.2 [4] được: φ(1) = 0,861; φe(1) = 0,777 Thấy φe(1) < φ(1) Độ mảnh thép góc xác định theo (5): µ1Lm 1,2 ⋅ 150 1) λ (= = = 50,8 ; (1) 3,54 imin Kiểm tra thép góc theo (1): N 780 = (1) ϕ(1) ⋅ A 0,777 52,1⋅ 10 −4 e µ 2Lm 0,9 ⋅ 150 = = 46,2 ( 2) 2,93 imin ) λ (= = 1,93 ⋅ 105 kN / m2 = 193MPa < 210MPa Vậy thép góc thỏa mãn điều kiện ổn định Các tham số cần thiết để xác định hệ số k, xác định theo công thức (4): Kiểm tra ổn định thép góc 2: ) ) λ( = 46,2; λ ( = 46,2 ⋅ 0,0316= 1, 46; m2 = 0,315 = χ1 90= / 653 0,135cm−3 ; = χ2 60= / 370 0,162cm−3 ; Tra bảng 72, 74 [2] bảng II.1, II.2 [4] được: φ(2) = 0,878; φe(2) = 0,785 Thấy φe(2) < φ(2) −3 = ϑ1 150 = / (3.653) 0,077cm ; Kiểm tra thép góc theo (1): N 780 = (2) ϕ(2) 0,785 ⋅ 43 ⋅ 10 −4 e A = ϑ2 150 = / (3.370) 0,135cm−3 ; δ11 = 0,135 + 0,162 + 0,077 + 0,135 = 0,512cm-3 ; = δ12 60 ( 0,162 / + 0,135 ) − 90 ( 0,135 / + 0,077 ) = 2,31⋅ 105 kN / m2 = 231MPa > 210MPa = −0,120cm-2 ; = δ22 902 ( 0,135 / + 0,077 ) + 602 ( 0.162 / + 0,135 ) = 1673, 4cm-1; -3 δ1p = 0,162 + 0,135 = 0,297cm = ; δ2p 60 ( 0,162 / + 0,135 ) -2 = 12, 97cm Vậy thép góc khơng thỏa mãn điều kiện ổn định b) Kiểm tra ổn định thép góc khơng kể đến độ lệch trục: Việc kiểm tra ổn định cánh chịu lực trục xác định theo biểu thức sau [1]: Hệ số phân phối mô men mối nối xác định theo công thức (3): k 210 = 50,84 ⋅ 0,0316 = 1,61 ; 2,1⋅ 105 0,297 ⋅ 1673, − 12,97 ( −0,120 ) 0,583 = 0,135 ⋅ 1673,, − 0,1202 Độ lệch tâm tương đối theo công thức (2): 52,1⋅ 5,7 m1 = 1,09 ⋅ 0,583 0,288 ; = 653 43 ⋅ 5,99 m2 = 1,09 (1 − 0,583 ) 0,315 = 370 Kiểm tra ổn định thép góc 1: (7): N = fγ C ϕA (7) Kiểm tra ổn định thép góc theo công thức N 780 = ϕ(1) A (1) 0,861⋅ 43 ⋅ 10 −4 = 1,74 ⋅ 105 kN / m2 = 174MPa < 210MPa; N 780 = 0,878 ⋅ 43 ⋅ 10 −4 ϕ(2) A (2) 2,07 ⋅ 105 kN / m2 = 207MPa < 210MPa = Sơ 27 - 2017 59 KHOA HC & CôNG NGHê Vậy tiết diện thép góc thỏa mãn điều kiện ổn định Để đánh giá độ ổn định chịu nén, tiến hành đánh giá theo tham số độ ổn định (kôđ) định nghĩa sau: ϕe Afγ c ϕAfγ c = k ôđ = ; k ôđ ; N N (8) Độ ổn định chịu nén đảm bảo kôđ ≥ 1,0 So sánh kết tính thấy kể đến mô men lệch trục độ ổn định nhỏ 10,5% so với trường hợp không kể đến mô men lệch trục Do đó, số trường hợp, kiểm tra cánh bỏ qua độ lệch trục cho kết đạt kiểm tra có kể đến độ lệch trục cho kết không đạt ví dụ tính tốn 3.2 Khảo sát ảnh hưởng độ lệch tâm nối chồng cánh đến ổn định Để nghiên cứu ảnh hưởng độ lệch tâm nối chồng đến ổn định cánh, tương tự cách tính ví dụ, báo khảo sát thêm số trường hợp có tiết diện thép góc thay đổi Các trường hợp khảo sát có kích thước chiều dài đoạn tháp Lm = 150cm, chiều dài thép góc 1: Lm1 = 90cm, chiều dài thép góc 2: Lm2 = 60cm, chiều dài đoạn tháp liền kề Lm-1 = Lm+1 = 150cm Kết khảo sát cho bảng bảng góc ảnh hưởng nhiều đến độ ổn định cánh tính tốn có kể đến độ lệch tâm Kết luận Bài báo trình bày cách tính tốn kiểm tra ổn định cánh đoạn tháp, cánh tiết diện thép góc đơn nối chồng có xét đến mơ men lệch trục tiết diện mối nối Với việc kể đến ảnh hưởng mô men lệch cánh tính tốn có làm việc an tồn sát với thực tế Để giảm ảnh hưởng độ lệch tâm việc nối chồng, nên nối chồng với tiết diện thay đổi Qua số ví dụ khảo sát thấy kể đến độ lệch trục nối chồng độ ổn định tính toán giảm từ 6,3% (trong tường hợp nối chồng L125x10 với L100x10) đến 27,3% (trong tường hợp nối chồng hai góc L200x24) Do vậy, tính tốn tháp phải kể đến mô men lệch trục gây mối nối chồng cánh./ Tài liệu tham khảo ПОСОБИЕ, по проектированию стальных конструкций опор воздушных линий (ВЛ) электропередачи и открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций напряжением свыше кВ (к СНиП II-23-81*) СНиП II-23-81* Стальные конструкции TCVN 5575 : 2012 Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiếp kế Kết khảo sát bảng cho thấy, thay đổi tiết diện, sử dụng hai thép góc có kích thước cạnh khác tạo nên độ lệch tâm bé trường hợp sử dụng hai thép góc có kích thước cạnh giống Kết cấu thép, Cấu kiện bản, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Kết cấu thép 2, Cơng trình dân dụng cơng nghiệp, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Kết khảo sát bảng cho thấy, chiều dày thép Hiệu dầm thép tổ hợp hàn (tiếp theo trang 56) Khả chịu uốn dầm thép theo điều kiện ổn định tổng thể, Mb.Rd tính sau: Áp dụng công thức (6): λLT = 0.793 Sử dụng phương pháp an toàn: β = 1; λLT,0 = 0.2; αLT = 0.76 Áp dụng công thức (4) (5), có: ϕ = 1.040 χ LT = 0.584 Áp dụng công thức (2) lấy γM = 1.05 : Mb.Rd = 194.02 KNm Giá trị MEd = 187.20 KNm Theo (1), dầm thỏa mãn điều kiện ổn định tổng thể Kết luận Trong sơ đồ kết cấu với nhịp dầm lớn, dầm thép tiết diện I tổ hợp hàn có cánh rỗng cho khả chống ổn định tổng thể tốt nhiều so với dầm thép tiết diện I thông thường Cụ thể mục 4, tỷ số khả chịu uốn theo điều kiện ổn định tổng thể hai loại dầm là: 194.02/113.38 = 1.71 lần, tỷ số diện tích tiết diện là: 9026/9048 =0.998 Các cơng thức giải tích mục giúp đơn giản hóa việc tính tốn đặc trưng hình học dầm thép tiết diện chữ I cánh rỗng, sở để kĩ sư áp dụng vào thiết kế./ Áp dụng tương tự PA1, ta tính được: A = 9048 mm2; Mb.Rd = 113.38 KNm MEd = 185.56 KNm Dầm không thỏa mãn điều kiện ổn định tổng thể Tài liệu tham khảo Bùi Hùng Cường, Nguyễn Minh Tuyền (2016) “Flexural torsional buckling of mono-symmetrical I-section beam with hollow flange” Tạp chí Khoa học cơng nghệ Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng, Số 31 (English Issue) NS Trahair, MA Bradford, DA Nethercot, L Gardner (2008) “The behaviour and design of steel structures to EC3” Taylor&Fracis, London 60 TP CH KHOA HC KIƯN TRC - XY DẳNG Vlasov, V.Z (1961) “Thin-walled elastic beams” Israel Program for Scientific Translations Von Karman, T and Christensen, N.B (1944) “Methods of analysis for torsion with variable twist” J Aero Sci (II), 2, pp.110-124 Murray, N.W (1984) “Introduction to the theory of thin-walled structures” Clarendon Press ... độ lệch trục cho kết đạt kiểm tra có kể đến độ lệch trục cho kết khơng đạt ví dụ tính tốn 3.2 Khảo sát ảnh hưởng độ lệch tâm nối chồng cánh đến ổn định Để nghiên cứu ảnh hưởng độ lệch tâm nối chồng. .. lệch tâm Kết luận Bài báo trình bày cách tính toán kiểm tra ổn định cánh đoạn tháp, cánh tiết diện thép góc đơn nối chồng có xét đến mơ men lệch trục tiết diện mối nối Với việc kể đến ảnh hưởng. .. Bảng Độ chênh độ ổn định cánh ( ∆ kôđ) kể đến độ lệch trục không kể đến độ lệch trục nối chồng hai cánh có tiết diện giống Thép góc L150x10 L150x15 L180x15 L180x18 L200x16 L200x24 Thép góc L150x10