Nội dung bài báo trình bày chi tiết cấu tạo và các phương pháp chế tạo, lý thuyết tính toán dầm thép khoét lỗ liên tục theo tiêu chuẩn Mỹ. Dựa vào lý thuyết tính toán, xây dựng chi tiết quy trình và các bước tính toán thiết kế. Cùng với đó, lập ra sơ đồ khối các bước tính toán thiết kế thép khoét lỗ liên tục theo tiêu chuẩn Mỹ. Thông qua lý thuyết và các ví dụ tính toán, bài báo đưa ra các nhận xét cần thiết đối với các kỹ sư khi tính toán thiết kế loại dầm này.
KẾT CẤU - CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ DẦM THÉP KHOÉT LỖ LIÊN TỤC THEO TIÊU CHUẨN MỸ ANSI/AISC 360-16 TS TRƯƠNG VIỆT HÙNG Trường Đại học Thủy Lợi PGS TS VŨ QUỐC ANH Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội ThS NGUYỄN TRỌNG TỪ Công ty CP Tư vấn Đầu tư Xây dựng An Thành Tóm tắt: Nội dung báo trình bày chi tiết cấu tạo phương pháp chế tạo, lý thuyết tính tốn dầm thép kht lỗ liên tục theo tiêu chuẩn Mỹ Dựa vào lý thuyết tính tốn, xây dựng chi tiết quy trình bước tính tốn thiết kế Cùng với đó, lập sơ đồ khối bước tính tốn thiết kế thép kht lỗ liên tục theo tiêu chuẩn Mỹ Thông qua lý thuyết ví dụ tính tốn, báo đưa nhận xét cần thiết kỹ sư tính tốn thiết kế loại dầm Từ khóa: Dầm thép khoét lỗ liên tục, Abstract: The content of the article presents the structure and manufacturing methods, the theory of calculating Castellated and Cellular Beam Design according to American Standard Based on calculation theory, elaborate process details and design calculation steps Along with that, creating a design algorithm of Castellated and Cellular Beam according to American Standard Through theory and calculation examples, the paper gives the necessary attention to the engineers when calculating the design of this beam Key word: according, Continuous Steel Beam holes Tổng quan Trong trình sử dụng nhà cao tầng công trình cơng nghiệp, cơng trình cơng cộng, nhu cầu tăng khơng gian sử dụng tối ưu hóa chiều cao thông thủy ngày cấp thiết Việc dẫn đến phải tối ưu hóa chiều cao lắp đặt hệ thống kỹ thuật phía trần nhà Đối với dạng kết cấu trên, giải pháp khoét lỗ bụng dầm thép hệ thống kỹ thuật chạy xuyên qua giải pháp hiệu Phương án hữu hiệu kiến trúc sư, kỹ sư kết cấu lựa chọn sử dụng dầm thép có lỗ mở bụng dầm Đặc biệt với loại dầm thép khoét lỗ liên tục (dầm khoang tròn dầm lỗ cưa) tạo thêm điểm nhấn kiến trúc, phô trương vẻ đẹp kết cấu, đồng thời giảm trọng lượng cấu kiện Tuy nhiên, lỗ mở nguyên nhân làm giảm khả chịu lực tính ổn định dầm Việc tính tốn kích thước, vị trí lỗ cần cân nhắc quan trọng thiết kế để đảm bảo khả chịu lực công cấu kiện Ở Việt Nam nay, tài liệu hướng dẫn quy trình chế tạo, tính tốn sử dụng loại kết cấu khoét lỗ liên tục chưa nhiều, cần đòi hỏi nghiên cứu thêm lý thuyết tính tốn quy trình chế tạo Vì vậy, việc nghiên cứu “Tính tốn thiết kế dầm thép khoét lỗ liên tục theo tiêu chuẩn Mỹ” cần thiết nhằm cụ thể hóa vấn đề nêu cao ngành xây dựng nhu cầu thực tế Cấu tạo phương pháp chế tạo dầm thép khoét lỗ liên tục Các công trình cơng cộng, nhà xưởng, bãi đỗ xe, 2.1 Cấu tạo dầm thép khoét lỗ liên tục nhà ga sân bay, khu dịch vụ,… sử dụng kết cấu rút ngắn thời gian xây dựng cơng trình… Dầm kht lỗ liên tục đề cập báo dầm thép chữ I có phần bụng khoét lỗ liên tục, Các lỗ mở chủ yếu lỗ hình tròn lỗ hình van Khi thiết kế dầm thép khoét lỗ, bên cạnh điều kiện chịu lực, đường kính khoảng cách lỗ cần thỏa mãn số điều kiện cấu tạo [3] Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 25 Hiện nay, trình phát triển ngày thép ngày nhiều Sử dụng kết cấu thép cơng trình mang lại hiệu cao vật liệu thép có khả chịu lực lớn, có trọng lượng nhỏ, khả chịu mỏi, chịu tải trọng độc lập tốt Đồng thời kết cấu thép thi công nhanh chóng, xác, giúp KẾT CẤU - CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG a) Dầm thép đục lỗ lục giác b) Dầm thép đục lỗ tròn Hình Quy định cấu tạo chế tạo dầm thép đục lỗ liên tục 2.2 Phương pháp chế tạo Có phương pháp chính: Các lỗ mở riêng lẻ cắt bụng cấu kiện thép cán nóng Phương pháp sử dụng cho dầm với lỗ mở độc lập; Lỗ mở cắt trước sau tiết diện thép I tổ hợp hàn Phương pháp sử dụng đồng thời cho lỗ mở độc lập cho lỗ mở liên tục có khoảng cách nhau; - Một cấu kiện thép I cán nóng cắt lượn sóng dọc theo bụng cấu kiện Sau đó, dầm hàn lại bụng nhằm tạo lỗ mở liên tục, đặn dọc theo bụng Phương pháp thích hợp áp dụng cho lỗ mở có khoảng cách đặn đứng liên kết cứng với Khi dầm khoét lỗ chịu uốn, cánh đứng lực dọc lực cắt xuất mơ-men uốn cục Loại giàn có cánh đứng mà khơng có xiên gọi giàn Vierendeel, tượng xuất mô-men cục dàn gọi hiệu ứng Vierendeel Do xuất với số lượng đáng kể lỗ mở liên tục bụng dầm, nên tiết diện dọc dầm tiết diện đặc hồn tồn, tiết diện có lỗ mở Khi đó, khả chịu tải trọng phần tử đặc phần tử chữ T khác Đồng thời, với lỗ mở hình cưa, việc tập trung ứng suất góc lỗ mở cần nghiên cứu tính tốn Kết thí nghiệm thực tế cho thấy dầm bị phá hoại vùng góc lỗ khu vực bụng hai lỗ liên tiếp Khi tính tốn dầm kht lỗ liên tục, cần nghiên cứu thiết kế đảm bảo an toàn trước dạng phá hoại sau: - Phá hoại gây uốn tổng thể; - Phá hoại gây hiệu ứng uốn Vierendeel; - Phá hoại gây ổn định cục bụng; - Phá hoại gây cắt dọc dầm; - Phá hoại gây cắt ngang phần bụng hai lỗ; 2.3 Ứng xử dầm thép khoét lỗ liên tục - Về bản, dầm thép khoét lỗ làm việc hệ giàn khơng có xiên, có cánh Phá hoại gây ổn định phần bụng hai lỗ; - Chuyển vị Hình Chế tạo dầm thép khoét lỗ phương pháp cắt lượn sóng 26 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 KẾT CẤU - CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG Hình Ứng xử dầm khoét lỗ liên tục - Công sử dụng, sơ đồ dầm, sơ đồ giằng biên ; Bước 4: Tính tốn tải trọng nội lực tiết diện dầm - Bước 5: Kiểm tra khả chịu lực: - Tải trọng tác dụng Vật liệu áp dụng; Phương pháp, thông số lỗ khoét - Bước 2: Lựa chọn tiết diện: Bước 3: Kiểm tra điều kiện cấu tạo Bước 1: Xác định yêu cầu thiết kế, liệu đầu vào: Kích thước dầm ban đầu; - Quy trình thiết kế dầm thép khoét lỗ liên tục theo tiêu chuẩn AISC 360-10 - - Khả chịu mômen, lực dọc; Khả chịu uốn nén đồng thời; Khả chịu cắt Bước 6: Kiểm tra khả ổn định: Kiểm tra ổn định tổng thể; Kiểm tra ổn định cục cánh; Kiểm tra ổn định cục bụng Bước 7: Kiểm tra điều kiện độ võng Hình Lý thuyết bước tính tốn dầm thép khoét lỗ liên tục ([1], [2]) Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 27 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Sơ đồ khối thiết kế dầm thép khoét lỗ liên tục Việc bố trí lỗ mở bụng làm phát sinh số dạng phá hoại so với dầm truyền thống, dẫn tới việc cần kiểm tra khả chịu lực tiết diện chữ T khả chịu lực bụng hai lỗ liên tiếp Dựa dạng phá hoại, công thức kiểm tra khả chịu lực tương ứng với dạng phá hoại vừa trình bày trên, quy trình đơn giản thiết kế dầm khoét lỗ liên tục đề xuất Quy trình trình bày dạng sơ đồ khối sau: Ghi chú: Chỉ số ngoặc đơn - (x) - tương ứng với bước quy trình tính tốn mục Hình Sơ đồ khối thiết kế dầm thép khoét lỗ liên tục [1] 28 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Ví dụ tính tốn A Kết tính tốn thiết kế 5.1 Ví dụ thiết kế dầm thép khoét lỗ Vật liệu: Thép hình loại A572 gr.50 Thiết kế dầm hệ dầm sàn thép chịu tải trọng nhẹ Dầm đỡ sàn nhịp 12,9m, bước dầm 1,52m Tải trọng sàn gồm tĩnh tải 122 kG/m2 hoạt tải 97,65 kG/m2 Fy = 345Mpa; Fu = 148Mpa; Yêu cầu: Thiết kế dầm thép theo tiêu chuẩn Mỹ Giả thiết hệ dầm giằng ngang sàn G = 77200Mpa; Sử dụng dầm thép I đúc sẵn loại W12×14 (dầm thép có chiều cao 30,48cm nặng 20,8 kg/m khoét lỗ lục giác thành dầm CB18×14 (cao 45,72cm) Quy cách đục lỗ: e = 7,62cm; b = 8,89cm; dt = 7,62cm Hình Quy cách khoét lỗ dầm I B Các giá trị tính tốn chi tiết sau: - Độ võng tổng tải trọng: TL LL DL = 2,85+3,96 = 6,81 cm - L 1290 cm 7,17cm 180 180 Khi tiết diện chịu kết hợp uốn nén, sử dụng 02 công thức sau [2]: M ry Pr P 8 M 0, r rx 1, Pc Pc M cx M cy M ry Pr P M 0, r rx Khi 1, Pc Pc M cx M cy Khi Bảng Kiểm tra khả chịu đồng thời lực dọc lực uốn theo LRFD [2] Vị trí lỗ mở Xi m Nội lực tiết diện chữ T Pr Mrv kN kN.m 0.00 0.55 Đầu dầm 0.00 0.20 13.92 0.53 0.86 1.19 1.52 1.85 2.19 35.50 55.87 74.99 92.83 109.47 124.81 2.51 138.96 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 Kiểm tra khả chịu lực Theo H1Theo H1Pr/Pc 1a 1b 0.17 0.54 0.05 0.19 0.51 0.48 0.45 0.42 0.39 0.36 0.12 0.19 0.26 0.32 0.38 0.43 0.22 0.24 0.38 0.44 0.48 0.53 0.33 0.48 0.57 29 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 2.84 151.85 0.29 0.53 0.61 10 3.18 163.46 0.27 0.57 0.64 11 3.51 173.87 0.24 0.6 0.67 12 3.83 183.04 0.21 0.63 0.69 13 4.17 190.91 0.18 0.66 0.71 14 4.50 197.58 0.15 0.68 0.72 15 4.82 203.01 0.12 0.7 0.73 16 5.16 207.14 0.09 0.72 0.74 17 5.49 210.08 0.06 0.73 0.74 18 5.82 211.77 0.02 0.73 0.74 Giữa dầm 6.10 212.21 0.00 0.74 0.74 Bảng Kiểm tra khả chịu đồng thời lực dọc lực uốn theo ADS [2] Nội lực tiết diện chữ T Vị trí lỗ mở Xi m Pr Mrv kN kN.m Kiểm tra khả chịu lực Theo H11a Pr/Pc Theo H11b Đầu dầm 0.00 0.41 0.24 0.20 10.19 0.39 0.05 0.26 0.53 25.98 0.37 0.14 0.29 0.86 40.88 0.35 0.21 0.40 1.19 54.84 0.33 0.29 0.46 1.52 67.88 0.30 0.35 0.52 1.85 80.06 0.28 0.42 0.57 2.19 91.27 0.26 0.48 0.61 2.51 101.64 0.24 0.53 0.66 2.84 111.07 0.22 0.58 0.69 10 3.18 119.56 0.19 0.62 0.73 11 3.51 127.17 0.17 0.66 0.75 12 3.83 133.84 0.15 0.70 0.78 13 4.17 139.62 0.13 0.73 0.80 14 4.50 144.52 0.11 0.75 0.81 15 4.82 148.47 0.08 0.77 0.82 16 5.16 151.50 0.06 0.79 0.82 17 5.49 153.63 0.04 0.80 0.82 18 5.82 154.88 0.02 0.81 0.82 Giữa dầm 6.10 155.19 0.00 0.81 0.81 Bảng Kiểm tra ổn định bụng dầm thép khoét lỗ LRFD M M n b ocr M p M p 0.90(0.418).28,25 10,63 kN.m M u 3,25 kN.m 30 ASD Mn M ocr Mp b b M p (0.418).28,25 1.67 7, 07 kN.m M a 2,37 kN.m Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Bảng Tổng hợp khả chịu cắt dầm thép khoét lỗ liên tục [2] LRFD ASD Cắt ngang dầm Cắt ngang dầm Vuh / vVn-horiz 21,6 kN /80 kN Vahv / Vn-horiz 15,8 kN /53,4 kN Cắt dọc dầm – phần tiết diện khoét lỗ Cắt dọc dầm – phần tiết diện khoét lỗ Vu / vVn-net 28kN /160 kN Vav / Vn-net 20,6 kN /106,6 kN Cắt dọc dầm – phần toàn tiết diện Cắt dọc dầm – phần toàn tiết diện Vu / vVn- gross 29,1kN /312,7 kN Va v / Vn- gross 21,3 kN /207,7 kN 5.2 Khảo sát phương án Tiến hành tương tự với toán thiết kế dầm thép khoét lỗ liên tục chịu mức độ tải trọng khác nhau, sơ đồ, bước dầm khác Kết sau [1]: - Tải trọng Trong đó: q= 80 kG/m2 - Vật liệu D= 30 kG/m2 - Bước cột B = 6m L= 50 kG/m2 Loại tiết diện Nhịp dầm L (m) Thông số 12 24 36 900 1700 2600 250 500 700 tw 10 12 16 tf 12 20 30 H - Tiết diện dầm đặc (Tính theo TCVN) B mm Đơn trọng kG/m 116 W18x71 > CB27x71 mm 313 W27x194 > CB40x194 649 W40x362 > CB60x362 469 714 1046 B 194 356 312 tw 12,6 19 33 tf 20,6 34 59 105.79 289.05 539.36 H - Tiết diện dầm khoét lỗ (Tính theo AISC) CCT34 Đơn trọng kG/m Với sàn văn phòng, sàn để xe, tải trọng lên hệ sàn trung bình Tiến hành khảo sát với nhịp dầm 6m, 8m 10m Kết sau [1]: - Tải trọng Trong đó: 400 kG/m2 - Vật liệu D= 200 kG/m2 - Bước cột B = 4m L= 200 kG/m2 q= Loại tiết diện Tiết diện dầm đặc (Tính theo TCVN) Nhịp dầm L (m) Thông số H B CCT34 mm tw Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 10 450 580 700 200 200 200 8 10 31 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG tf 10 10 12 58 67 91 W14x48 -> CB21x48 W18x71 -> CB27x71 W21x83 -> CB30x83 363 469 544 B 173 194 212 tw 12,6 13 tf 15,7 20,6 21 71,52 105,79 123,67 Đơn trọng Tiết diện dầm khoét lỗ (Tính theo AISC) H Đơn trọng kG/m mm kG/m Kết luận: - Phương án sử dụng dầm thép khoét lỗ liên tục phù hợp với hệ kết cấu có tải trọng nhỏ, đồng thời vượt nhịp lớn; - Trong trường hợp tải trọng trung bình lớn, để đảm bảo điều kiện làm việc ổn định không sử dụng gân tăng cứng hay gia cường lỗ mở thường kích thước tiết diện dầm khoét lỗ lớn dầm thép đặc Kết luận Trong bối cảnh kết cấu thép áp dụng rộng rãi, đặc biệt kết cấu dầm thép có lỗ khoét với ưu điểm lớn Việc nghiên cứu cấu tạo, phương pháp chế tạo thiết kế dầm thép khoét lỗ liên tục cần thiết có tính ứng dụng cao Ứng xử dầm thép khoét lỗ, yêu cầu cấu tạo công thức kiểm tra tương ứng nghiên cứu, từ đưa sơ đồ khối thể quy trình thiết kế cho loại hình kết cấu Quy trình tính tốn theo tiêu chuẩn Mỹ thể chi tiết quy định cấu tạo kiểm tính với trường hợp gây phá hoại Và quan trọng tiêu chuẩn Mỹ cho phép thiết kế dầm thép khoét lỗ với tải trọng tập trung 32 bất kỳ, khơng giới hạn vị trí đặt tải tập trung tiêu chuẩn Việt Nam Các ví dụ tính tốn khảo sát cho thấy vùng ưu điểm dầm thép khoét lỗ liên tục cơng trình Bài báo đưa kiến nghị áp dụng dầm thép khoét lỗ cho hệ dầm vượt nhịp lớn chịu tải trọng nhỏ Nội dung báo có tính ứng dụng cao thực tế thiết kế, đặc biệt Việt Nam quy trình tính áp dụng thực tiễn chưa nhiều Bài báo tài liệu tham khảo hữu ích dành cho kỹ sư thiết kế nghiên cứu sau TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Trọng Từ (2019) Tính toán thiết kế dầm thép khoét lỗ liên tục theo tiêu chuẩn Mỹ, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Specification for Structural Steel Buildings (ANSI/AISC 360-16), American Institute of Steel Construction Sameer S Fares (2016), “Castellated and Cellular Beam Design”, American Institute of Steel Construction Ngày nhận bài: 27/02/2020 Ngày nhận sửa lần cuối: 03/4/2020 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 ... thuyết bước tính tốn dầm thép kht lỗ liên tục ([1], [2]) Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 27 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Sơ đồ khối thiết kế dầm thép khoét lỗ liên tục Việc bố trí lỗ mở bụng... thép khoét lỗ liên tục [1] 28 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 1/2020 KẾT CẤU - CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG Ví dụ tính tốn A Kết tính tốn thiết kế 5.1 Ví dụ thiết kế dầm thép khoét lỗ Vật liệu: Thép hình loại... tạo thiết kế dầm thép khoét lỗ liên tục cần thiết có tính ứng dụng cao Ứng xử dầm thép khoét lỗ, yêu cầu cấu tạo công thức kiểm tra tương ứng nghiên cứu, từ đưa sơ đồ khối thể quy trình thiết kế