So sánh thiết kế dầm thép tổ hợp hàn giằng liên tục theo phương ngang theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ và tiêu chuẩn Việt Nam

Trong xu thế hội nhập quốc tế, việc nghiên cứu và áp dụng nhiều loại tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép là tất yếu. Bài viết này trình bày cách thiết kế dầm thép tổ hợp hàn giằng liên tục theo phương ngang theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (AISC 360-10 và ASCE-07) và tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5575-2912 và TCVN 2737-1995). Từ đó, tác giả có những đánh giá, so sánh các kết quả tính toán và thiết kế khi áp dụng các hệ tiêu chuẩn khác nhau.

Phan Thành Nhân So sánh thiết kế dầm thép tổ hợp hàn giằng SO SÁNH THIẾT KẾ DẦM THÉP TỔ HỢP HÀN GIẰNG LIÊN TỤC THEO PHƢƠNG NGANG THEO TIÊU CHUẨN HOA KỲ VÀ TIÊU CHUẨN VIỆT NAM Phan Thành Nhân(1) (1) Trường Đại học Thủ Dầu Một Ngày nhận 29/12/2016; Chấp nhận đăng 29/01/2017; Email: nhanpt@tdmu.edu.vn Tóm tắt Trong xu hội nhập quốc tế, việc nghiên cứu áp dụng nhiều loại tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép tất yếu Bài viết trình bày cách thiết kế dầm thép tổ hợp hàn giằng liên tục theo phương ngang theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (AISC 360-10 ASCE-07) tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5575-2912 TCVN 2737-1995) Từ đó, tác giả có đánh giá, so sánh kết tính tốn thiết kế áp dụng hệ tiêu chuẩn khác Từ khóa: hàn giằng, kết cấu thép, tiêu chuẩn Hoa Kỳ, tiêu chuẩn Việt Nam Abstract COMPARING THE DESIGNS OF WELDED BUILT UP STEEL BEAM WITH CONTINUOUS LATERAL BRACING BASED ON AMERICAN STANDARD AND VIETNAMESE STANDARD In the trend of global integration, researching and applying a variety of standards to designing steel structures is inevitable This paper presents the designs of welded built up steel beams with continuous lateral bracing based on American (AISC 360-10 And ASCE-07) and Vietnamese standards (TCVN 5575-2912 and TCVN 2737-1995) The assessment and cross comparision of design results obtained with different systems of standards have been made Giới thiệu Bộ Xây dựng ban hành Thông tư số 40/2009/TT – BXD ngày 09/12/2009 việc Quy định việc áp dụng tiêu chuẩn xây dựng nước hoạt động xây dựng Việt Nam Hiện có nhiều cơng trình kết cấu thép thiết kế thi công theo nhiều tiêu chuẩn nước như: AISC (Hoa Kỳ), BS5950 (Anh), Eurocode (Châu Âu) Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu so sánh việc thiết kế theo tiêu chuẩn nước với tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép Việt Nam thực Trong [7], tác giả so sánh áp dụng tiêu chuẩn AISC/ASD (Mỹ) TCVN 5575 – 1991 (Việt Nam) để kiểm tra ổn định cục dầm thép tổ hợp Tuy nhiên, tác giả chưa đề cập đến ảnh hưởng ổn định cục đến độ bền cấu kiện chịu uốn tốn ví dụ so sánh tiêu chuẩn AISC/ASD (Mỹ) TCVN 5575 – 1991 (Việt Nam) riêng biệt mà khơng đặt hệ thống tiêu chuẩn Trong [6], tác giả so sánh tính tốn cấu kiện thép chịu nén lệch theo tiêu chuẩn Mỹ AISC với TCXDVN 338:2005 Tuy vậy, ví dụ lại xuất phát từ nội lực cột mà từ điều kiện làm việc cấu kiện Do đó, tác giả bỏ qua yếu tố khác 110 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 tải trọng, tổ hợp tải trọng phương pháp phân tích nội lực Vì vậy, cần phải nghiên cứu làm việc cấu kiện hệ thống tiêu chuẩn điều kiện làm việc Báo cáo so sánh thiết kế dầm thép tổ hợp hàn giằng liên tục theo phương ngang theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (AISC 360-10 ASCE-07) tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5575 – 2012 TCVN 2737-1995) Cơ sở lý thuyết Trong phần này, báo cáo tóm lược lý thuyết thiết kế dầm thép tổ hợp hàn giằng liên tục theo phương ngang theo hai tiêu chuẩn TCVN 5575 – 2012 AISC 360-10 2.1 Thiết kế cấu kiện dầm tổ hợp theo TCVN 5575 – 2012 [4] Theo TCVN 5575 – 2012, việc thiết kế dầm thép thực theo hai bước riêng biệt tính tốn bền chịu uốn tính toán ổn định cục cánh bụng Tính tốn bền chịu uốn: Cấu kiện bụng đặc chịu uốn phương M kiểm tra theo công thức (1)  f c Wn ,min Trong đó: M – mơmen uốn quanh trục tính tốn; f – cường độ tính tốn vật liệu thép; c – hệ số điều kiện làm việc kết cấu; Wn,min – môđun chống uốn nhỏ tiết diện thực trục tính tốn Tính tốn ổn định cánh: Chiều rộng tính tốn bo cánh lấy sau: khoảng cách từ biên bụng đến mép cánh; Bảng Giá trị giới hạn [bo/tf] Tính tốn dầm Trong giới hạn đàn hồi Kể đến phát triển biến dạng dẻo (1) Đặc điểm phần nhô Không viền mép Giá trị [bo/tf] 0,5 E / f Có viền mép 0,75 E / f Không viền mép 0,11hw/tw không lớn 0,5 E / f Có viền mép 0,16hw/tw không lớn 0,75 E / f (1): Khi hw/tw  2,7 E / f giá trị [bo/tf] lấy sau: Đối với cánh không viền: [bo/tf] = 0,3 E / f ; Đối với cánh viền sườn: [bo/tf] = 0,45 E / f ; hw, tw chiều cao tính tốn chiều dày bụng Tính tốn ổn định bụng: Để đảm bảo ổn định cục bộ, bụng dầm tổ hợp phải tăng cường sườn cứng theo qui định sau: - Nếu độ mảnh qui ước bụng  w > 3,2 dầm chịu tải trọng tĩnh,  w > 2,2 dầm chịu tải trọng di động bụng phải tăng cường sườn cứng ngang,  w  hw tw f , (hw chiều cao tính tốn bụng dầm; tw chiều dày E bụng) - Nếu độ mảnh bụng  w > 5,5 ngồi sườn ngang phải tăng cường bụng sườn tăng cường dọc 2.2 Thiết kế cấu kiện dầm thép tổ hợp hàn theo AISC360-10 [1,5,8] Theo AISC360-10, thiết kế dầm thép, độ bền chịu uốn danh nghĩa có xét đến ảnh hưởng điều kiện ổn định cục cánh, bảng bụng Do đó, bước phải phân loại tiết diện để làm sở cho việc xác định độ bền chịu uốn danh nghĩa Phân loại tiết diện dầm theo điều kiện ổn định cục Các phần tử dầm chia thành ba lớp: đặc chắc, không đặc mảnh 111 Bảng Phân loại tiết diện dầm theo điều kiện ổn định cục Phân lớp Cánh Bụng  f   pf  0,38 Đặc E Fy w   pw  3, 76 E Fy Không đặc  f  rf  0,95 kc E 0, Fy w  rw  5, E Fy Mảnh  f  rf  0,95 kc E 0, Fy w  rw  5, E Fy b h ; w  ; kc  t tw h / tw Tính toán độ bền chịu uốn danh nghĩa dầm giằng theo phương bên Độ bền chịu uốn danh nghĩa dầm tiết diện chữ I, giằng theo phương bên, giá trị nhỏ chọn từ trạng thái giới hạn: chảy dẻo cánh nén, ổn định cục cánh nén Ảnh hưởng ổn định cục bụng xét đến hệ số R pc (hệ số dẻo bụng) R pg (hệ số giảm khả chịu uốn) Trong đó:  f  Bảng Độ bền chịu uốn danh nghĩa Phân lớp Phân lớp bụng cánh Đặc Không đặc Đặc Các trạng thái giới hạn Mất ổn định cục cánh nén Chảy dẻo cánh nén M n  M p  Fy Z x - -    f   pf   M n   M p   M p  0, Fy S x          pf    rf Mn  0,9 Ekc S x Mảnh - Đặc M n  Rpc M yc  Rpc Fy S xc - Không Không đặc đặc M n  Rpc M yc  Rpc Fy S xc    f   pf   M n   Rpc M yc   Rpc M yc  FL S xc          pf    rf Mảnh Mn   f2 0,9 Ekc S x Mảnh M n  Rpc M yc  Rpc Fy S xc Đặc M n  Rpg M yc  Rpg Fy S xc - Không đặc M n  Rpg M yc  Rpg Fy S xc M n  Rpg Fcr S xc Mảnh M n  Rpg M yc  Rpg Fy S xc M n  Rpg Fcr S xc  f2 Với giá trị FL , Fcr , R pc , R pg - tham khảo theo [1,5,8] Khả chịu uốn tiết diện Khả chịu uốn thiết kế (theo LRFD): b M n với b  0,9 Khả chịu uốn cho phép (theo ASD): M n / b với b  1, 67 112 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 Ví dụ tính tốn 3.1 Ví dụ Mơ tả tốn: Thiết kế dầm phụ tổ hợp hàn sàn (sơ đồ tính dầm giản đơn) có chức phòng đọc sách (thư viện), nhịp L = 6m, bước b = 2m Tĩnh tải tác dụng lên dầm là: D = 2,5 kN/m2 Đặc trưng vật liệu: E =2000 kN/cm2, Fy = 34,5 kN/cm2 Thiết kế theo Tiêu chuẩn Việt Nam i: Tải trọng mômen uốn lớn (Mmax) dầm Sơ chọn dầm có tiết diện đặc trưng hình học sau h (cm) bf (cm) tf (cm) 36.6 18 0.8 hw(cm) tw(cm) A(cm2) Ix(cm4) Wx (cm3) 0,5 46,3 11015,8 601,9564 35 c Theo [3], hoạt tải tiêu chuẩn p = kN/m Tải trọng tác dụng lên dầm: qc  2,5   0,0785  46,3    12,63kN / m q   2,5   0,0785  46,3 1.1   1.2  14,3kN / m Mômen uốn lớn dầm qL2 82 M max   14,3   114,38kNm 8 ii: Kiểm tra tiết diện theo điều kiện chịu uốn Khả chịu uốn tiết diện  M   Wn,min f  c  601.96  28, 23 / 100  0.9  152,92kNm Với f  0.9 Fy M  0.9  34,5  28, 23kN / cm2 1,1 M 114,38   0, 75  M  152,92 Vậy tiết diện chọn thỏa điều kiện chịu uốn iii: Kiểm tra tiết diện theo điều kiện ổn định cục Độ mảnh cánh: 18  0.5 / b f    10,94 tf 0,8 Độ mảnh giới hạn cánh E 2000  f   0,5  0,5   12, 63 f 31,36 Vậy cánh đảm bảo điều kiện ổn định cục Độ mảnh qui ước bụng h f 35 31,36 w  w    2, 77 tw E 0,5 2000 Tỷ số Độ mảnh qui ước giới hạn bụng  w   3,   Vậy bụng đảm bảo ổn định cục bộ, không cần gia cường sườn ngang iv: Kiểm tra tiết diện theo điều kiện võng  ql 12, 63  63    Độ võng tương đối dầm 4 l 384 EI 384 2000  11015,8  10 261 113  ql 12, 63  63    4 l 384 EI 384 2000  11015,8  10 261  Độ võng tương đối cho phép     l  250 Vậy tiết diện dầm thỏa điều kiện độ võng Thiết kế theo Tiêu chuẩn Hoa Kỳ i: Tải trọng mômen uốn thiết kế lớn (Mmax) dầm Sơ chọn dầm có tiết diện đặc trưng hình học sau h(cm) bf(cm) tf(cm) hw(cm) tw(cm) A(cm2) Ix(cm4) Sx(cm3) Zx(cm3) 45,6 18 0,8 44 0,5 50,8 18001,5 789,542 887,12 Tải trọng: theo [2], hoạt tải nhỏ L = 2.87 kN/m Theo ASD: q  D  L  1  2,5   0,0785  50,8  1  2,87    14,73kN / m Ma  14, 73  62  117,82kNm Theo LRFD: q  1.4D  1.6L  1,   2,5   0,0785  50,8   1,6   2,87    21,77 kN / m 21, 77  62 Mu   174,14kNm ii: Phân lớp tiết diện b f 18 / f    11, 25 Độ mảnh cánh tf 0,8 Độ mảnh giới hạn cánh Với: kc   pf  0,38 E 2000  0,38  9,15; Fy 34,5 rf  0,95 kc E 0, 43  2000  0,95  17,85 0, Fy 0,  34,5 h / tw  44 / 0,5 Vậy cánh không đặc Độ mảnh bụng w   0, 43 hw 44   88 tw 0,5 E 2000  3, 76  90,53 ; Độ mảnh giới hạn bụng  pw  3, 76 Fy 34,5 Vậy bụng đặc ii: Kiểm tra tiết diện theo điều kiện chịu uốn Theo bảng 3, với điều kiện bụng đặc chắc, cánh khơng đặc ta có   11, 25  9,15   M n  306, 05   306, 05  0,  34,5  789,54  102      278, 2kNm  17,85  9,15    114 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 Khả chịu uốn cho phép (theo ASD): M n / b  278, / 1,67  166,59kNm Khả chịu uốn thiết kế (theo LRFD): b M n  0,9  278,  250,39kNm So sánh khả chịu uốn với mômen thiết kế Ma Mu 117,82 174,14   0, 71 ;   0, 70 M n / b 166,59 b M n 250,39 Vậy tiết diện chọn đảm bảo điều kiện bền chịu uốn iv: Kiểm tra tiết diện theo điều kiện võng  ql 14, 73  63    4 l 384 EI 384 2000  18001,5  10 366 Độ võng tương đối dầm  Độ võng tương đối cho phép     l  360 Vậy tiết diện dầm thỏa điều kiện độ võng 3.2 Ví dụ Mơ tả tốn: Thiết kế dầm mái (sơ đồ tính dầm giản đơn), nhịp L = 15m, bước b = 3m Tĩnh tải tác dụng lên dầm là: D = 0,785 kN/m2 Đặc trưng vật liệu: E =2000 kN/cm2, Fy = 34,5 kN/cm2 Thiết kế theo Tiêu chuẩn Việt Nam Tải trọng mômen uốn lớn (Mmax) dầm Sơ chọn dầm có tiết diện đặc trưng hình học sau h (cm) bf (cm) tf (cm) 67 18 hw(cm) 65 c tw(cm) A(cm2) Ix(cm4) Wx (cm3) 0,6 75 52938,3 1580,2 Theo [3], hoạt tải tiêu chuẩn p = 0,3 kN/m Tải trọng tác dụng lên dầm: qc  0,785   0,0785  75  0,3   9,14kN / m q   0,785   0,0785  75  1.1  0,3   1.2  10,15kN / m Mômen uốn lớn dầm qL2 152 M max   10,15   285,38kNm 8 i: Kiểm tra tiết diện theo điều kiện chịu uốn Khả chịu uốn tiết diện Với  M   Wn,min f  c  1580,  28, 23 / 100  0.9  401, 45kNm M 285,38 0.9  34,5   0, 71  28, 23kN / cm2 Tỷ số M 1,1  M  401, 45 Vậy tiết diện chọn thỏa điều kiện chịu uốn ii: Kiểm tra tiết diện theo điều kiện ổn định cục b0 18  0.6  /   8, Độ mảnh cánh:  f  tf Độ mảnh giới hạn cánh f  0.9 Fy  115 E 2000  f   0,5  0,5   12, 63 f 31,36 Vậy cánh đảm bảo điều kiện ổn định cục Độ mảnh qui ước bụng h f 65 31,36 w  w    4, 29 tw E 0, 2000 Độ mảnh qui ước giới hạn bụng  w   3,   Vậy bụng không đảm bảo ổn định cục bộ, cần gia cường sườn ngang iv: Kiểm tra tiết diện theo điều kiện võng Độ võng tương đối dầm  ql 9,14  153    4 l 384 EI 384 2000  52938, 25  10 263 Độ võng tương đối cho phép   l   250 Vậy tiết diện dầm thỏa điều kiện độ võng Thiết kế theo Tiêu chuẩn Hoa Kỳ Tải trọng mômen uốn thiết kế lớn (Mmax) dầm Sơ chọn dầm có tiết diện đặc trưng hình học sau h(cm) bf(cm) tf(cm) hw(cm) tw(cm) A(cm2) Ix(cm4) Sx(cm3) Zx(cm3) 67 18 65 0,6 75 52938,3 1580,25 1821,75 Tải trọng: theo [2], hoạt tải nhỏ L = 0,57 kN/m Theo ASD: q  D  L  1  0,785   0,0785  75  1  0,57  3  9,95kN / m Ma  9,95  152  279,91kNm Theo LRFD: q  1.4D  1.6L  1,   0,785   0,0785  75   1,6   0,57  3  14, 28kN / m 14, 28  152 Mu   401,5kNm i Phân lớp tiết diện Độ mảnh cánh f  bf tf  18 / 9 Độ mảnh giới hạn cánh E 2000  pf  0,38  0,38  9,15; Fy 34,5 rf  0,95 Với: kc  h / tw kc E 0,38  2000  0,95  16,95 0, Fy 0,  34,5   0,38 65 / 0, 116 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 Vậy cánh đặc Độ mảnh bụng h 65 w  w   108,33 tw 0, Độ mảnh giới hạn bụng E 2000 E 2000  3, 76  90,53 ; rw  5,  5,  137, 24 Fy 34,5 Fy 34,5 Vậy bụng không đặc ii Kiểm tra tiết diện theo điều kiện chịu uốn Theo bảng 3, với điều kiện bụng không đặc chắc, cánh đặc ta có  pw  3, 76 M n  Rpc Fy S xc  1,09  34,5  1580, 25  102  598,74kNm Với: Mp  34,5  1821, 75  34,5  1821, 75  108,33  90,53   Rpc     1  1, 09   1,15  M yc  34,5  1580, 25  34,5  1580, 25  137, 24  90,53   Khả chịu uốn cho phép (theo ASD): M n / b  598,74 / 1,67  357,33kNm Khả chịu uốn thiết kế (theo LRFD): b M n  0,9  598,74  537,07kNm So sánh khả chịu uốn với mômen thiết kế Ma Mu 279,91 401,5   0, 78 ;   0, 75 M n / b 357,33 b M n 537, 07 iii Kiểm tra tiết diện theo điều kiện võng Độ võng tương đối dầm  ql 9,95  153    4 l 384 EI 384 2000  52938, 25  10 242 Độ võng tương đối cho phép   l   240 Vậy tiết diện dầm thỏa điều kiện độ võng Kết luận Về tính tốn khả chịu uốn điều kiện ổn định cục bộ: Thiết kế theo TCVN55752012,việc tính tốn khả chịu uốn điều kiện ổn định cục tiết diện độc lập lẫn Vì vậy, trình thiết kế tương đối đơn giản Khi tiết diện không đảm bảo điều kiện cục xem tiết diện khả chịu lực phải gia cường sườn đứng, sườn ngang Điều làm giảm khả sản xuất tự động hóa Thiết kế theo AISC360-10, việc tính tốn khả chịu uốn tiết diện xét đến ảnh hưởng điều kiện ổn định cục tiết diện Do đó, q trình tính toán phức tạp Tuy nhiên, thiết kế theo AISC360-10 cho phép thiết kế tiết diện có chiều cao lớn mà gia cường sườn Điều thuận lợi cho việc tự động hóa sản xuất Về kết tính tốn: Thiết kế cấu kiện chịu uốn dầm sàn có chiều cao tiết diện nhỏ, hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam cho kích thước tiết diện nhỏ hệ thống tiêu chuẩn Hoa 117 Kỳ Thiết kế cấu kiện chịu uốn dầm mái có chiều cao tiết diện lớn, hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam hệ thống tiêu chuẩn Hoa Kỳ cho tiết diện tương đương Tuy nhiên, bụng thiết kế theo TCVN5575-2012 phải gia cường sườn ngang TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] American Institute of steel Construction (2010), Specification for structural steel buildings, Chicago, Illinois, USA [2] American Society of Civil Engineers (2006), Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, Reston, Virginia, USA [3] Bộ Xây dựng (1996), Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 2737 – 1995, NXB Xây dựng [4] Bộ Xây dựng (2013), Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5575 – 2012, NXB Xây dựng [5] Đồn Đình Kiến, Nguyễn Song Hà (2010), Thiết kế kế cấu thép theo quy phạm Hoa Kỳ AISC 2005, NXB Khoa học Kỹ thuật [6] Thân Trọng Phúc (2013), Tính tốn cấu kiện thép chịu nén lệch tâm theo tiêu chuẩn Mỹ AISC, so sánh với TCXDVN 338: 2005, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Đà Nẵng [7] Huỳnh Minh Sơn (2004), “So ánh áp dụng tiêu chuẩn AISC/ASD (Mỹ) với tiêu chuẩn TCVN 5575 – 1991 (Việt Nam) để kiểm tra ổn định cục dầm thép tổ hợp”, Tạp chí KHoa học Cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, số 3(7)-2004, Tr 20-26 [8] Trần Thị Thôn (2014), Thiết kế nhà thép tiền chế (theo quy phạm Hoa Kỳ AISC-2005/ASD LRFD), NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 118 ... chuẩn điều kiện làm việc Báo cáo so sánh thiết kế dầm thép tổ hợp hàn giằng liên tục theo phương ngang theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ (AISC 360-10 ASCE-07) tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5575 – 2012 TCVN 2737-1995)... lý thuyết thiết kế dầm thép tổ hợp hàn giằng liên tục theo phương ngang theo hai tiêu chuẩn TCVN 5575 – 2012 AISC 360-10 2.1 Thiết kế cấu kiện dầm tổ hợp theo TCVN 5575 – 2012 [4] Theo TCVN 5575... thống tiêu chuẩn Việt Nam cho kích thước tiết diện nhỏ hệ thống tiêu chuẩn Hoa 117 Kỳ Thiết kế cấu kiện chịu uốn dầm mái có chiều cao tiết diện lớn, hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam hệ thống tiêu chuẩn