Khảo sát ảnh hưởng của lực nén đến ổn định tổng thể của dầm thép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MAI VĂN MINH KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC NÉN ĐẾN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM THÉP Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - 2016 Cơng trình hồn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN QUANG HƯNG Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN QUANG VIÊN Phản biện 2: TS PHẠM MỸ Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 09 tháng 01 năm 2016 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Thư viện trường Đại học, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Đối với nhà công nghiệp tầng, khung thép tiết diện đặc sử dụng phổ biến Do yêu cầu cấu tạo mái dốc, dầm thép có độ nghiêng định tùy thuộc vào kiến trúc Khi tính tốn thiết kế dầm thép, người ta tính tốn khả chịu uốn tính ổn định tổng thể (chống lật) cấu kiện chịu uốn Thực tế, bị đặt nằm xiên nên ngồi mơmen uốn lực cắt, dầm xuất lực dọc Lực dọc thay đổi làm việc dầm Tùy thuộc vào góc xiên mà lực dọc lớn hay bé Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng lực dọc đến ổn định tổng thể dầm ngang Hình Khung thép nhà cơng nghiệp (nguồn: cokhitienbo.vn) Hình Khung dần thép nhà công nghiệp (nguồn: khung kèo thép nhà công nghiệp.vn) Mục tiêu nghiên cứu - Mơ hình làm việc dầm khung chịu nén uốn đồng thời tác dụng loại tải trọng - Tính tốn ổn định tổng thể dầm có lực nén - Khảo sát ảnh hưởng lực nén đến khả ổn định tổng thể dầm thép Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Dầm mái khung nhà công nghiệp thép tầng - Phạm vi nghiên cứu: Tính tốn khả ổn định dầm chịu uốn chịu nén đồng thời Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lí thuyết: thu thập tài liệu; tìm hiểu lý thuyết tính tốn khung nhà cơng nghiệp kể đến làm việc đồng thời tải trọng theo TCVN - Phương pháp số: lập biện pháp phân tích tải trọng tác dụng lên khung sử dụng phần mềm, tính tốn phân tích - Tính tốn, tổng hợp, nhận xét rút kiến nghị Kết dự kiến - Bảng biểu đồ đánh giá ảnh hưởng lực dọc đến ổn định tổng thể dầm thép - Các kiến nghị tính tốn ổn định tổng thể dầm thép số trường hợp nhà công nghiệp phổ biến Bố cục đề tài Chương TỔNG QUAN VỀ NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG BẰNG THÉP Chương ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA KHUNG DẦM THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG Chương KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC NÉN ĐẾN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM THÉP TRONG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG BẰNG THÉP 1.1 SƠ LƯỢC VỀ KỀT CẤU NHÀ CÔNG NGHIỆP 1.1.1 Những yêu cầu kết cấu thép 1.1.2 Thành phần hóa học thép 1.1.3 Phạm vi áp dụng yêu cầu chung 1.1.4 Cấu tạo khung thép nhẹ nhà công nghiệp tầng, nhịp Hình 1.1 Cấu tạo khung thép nhẹ nhà cơng nghiệp tầng, nhịp(nguồn: alphagroup.com.vn) Kèo hồi Cửa chớp tôn giằng mái Xà gồ mái Cửa đẩy 14 Tường xây bao Khung thép 10 Tấm lợp 15 Xà gồ tường Cửa trời thưng tường 16 Cửa cuốn, cửa Tấm lợp mái 11 Cửa sổ đẩy Tấm lấy sáng 12 Cột khung 17 Mái hắt Máng nước 13 Giằng cột, 18 Cột hồi 1.1.5 Hệ giằng nhà công nghiệp dùng kết cấu khung thép nhẹ 1.2 TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG Tải trọng tác động quy định TCVN 2737: 1995 Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế Theo tiêu chuẩn tải trọng phân thành loại sau: - Tải trọng thường xuyên (G): tải trọng không biến đổi giá trị, vị trí, phương chiều q trình sử dụng cơng trình trọng lượng phận cơng trình, áp lực đất, ứng suất trước - Tải trọng tạm thời (Q): tải trọng có khơng trình xây dựng sử dụng Tải trọng tạm thời phân thành tải trọng tạm thời dài hạn (vách ngăn tạm thời, trọng lượng máy cố định, tải sàn gian kho, thư viện…) tải trọng tạm thời ngắn hạn (trọng lượng người đồ đạc sàn nhà, tải trọng sinh trình thi cơng vận hành, tải trọng gió…) - Tải trọng đặc biệt (A): tải trọng gây thiên tai hay cố động đất, cháy nổ, sụt lở đất, đứt dây cáp neo…Về giá trị, TCVN phân thành tải trọng tiêu chuẩn tải trọng tính toán - Giá trị tiêu chuẩn trị số lớn có tải trọng trường hợp sử dụng bình thường Giá trị xác lập phương pháp thống kê - Giá trị tính toán giá trị tiêu chuẩn nhân với hệ số độ tin cậy tải trọng γQ Giá trị γQ cho tiêu chuẩn, ví dụ trọng lượng cấu kiện chế tạo xưởng γQ=1,1; chế tạo công trường γQ=1,2; tải trọng tạm thời i=20% để tìm cập giá trị nội lực Khảo sát khung ngang nhà cơng nghiệp tầng, nhịp khơng có cầu trục Các số liệu sau: Nhịp khung: L = 24m Bước khung: B = 6m; toàn nhà dài 10B = 60m Vùng gió: IIA Dạng địa hình xây dựng cơng trình: B (tỉnh Trà Vinh) Chiều cao cột: Hc = 8,3m Mái lợp tơn sóng vng dày 0,50mm f = 21.106 daN/m2; fy = 22.106 daN/m2 Kết cấu bao che: Tường xây gạch cao 1,5m phía dưới, tơn sóng vng phía Độ dốc mái i = 1% ÷ 20% 14 3.1.2 Tính tốn khảo sát a Sơ đồ kết cấu khung ngang Hình 3.1 Sơ đồ kết cấu khung ngang nhà công nghiệp Khung ngang gồm cột đặc, xà ngang tiết diện chữ I Cột có tiết diện khơng đổi liên kết ngàm với móng, liên kết cứng với xà Theo yêu cầu kiến trúc nước, chọn xà ngang có độ dốc với góc dốc α = 100 (tương đương i = 17 %) trường hợp ta xét đến ảnh hưởng lực nén đến khả ổn định tổng thể dầm ta tính độ dốc mái từ (i=1% -> i=20%) Do tính chất làm việc khung ngang chịu tải trọng thân tải trọng gió chủ yếu, nên thông thường nội lực xà ngang vị trí nách khung thường lớn nhiều nội lực vị trí nhịp Cấu tạo xà ngang có tiết diện thay đổi, khoảng biến đổi tiết diện cách đầu cột đoạn (0,35÷ 0,4) chiều dài nửa xà Tiết diện cịn lại lấy khơng đổi Nhưng luận văn ta chủ yếu xét đến ảnh hưởng lực nén đến khả chống uốn tổng thể dầm nên ta xét dầm tiết diện khơng đổi b Kích thước theo phương đứng Chiều cao cột: Hc =8,3m c Chọn sơ kích thước theo phương ngang Nhịp nhà (lấy theo trục định vị mép cột) là: L = 24m 15 - Tiết diện cột - Chiều cao tiết diện cột chọn theo yêu cầu độ cứng: => Chọn h = 0,4 m - Bề rộng tiết diện cột chọn theo điều kiện cấu tạo độ cứng: bf = (0,3 0,5)h = (0,3 0,5) 0,4 = 0,12 ÷ 0,20m => Chọn b = 0,20m - Chiều dày bụng tw nên chọn vào khoảng (1/70 ÷ 1/100)h Để đảm bảo điều kiện chống gỉ, không nên chọn tw mỏng: tw > 6mm => Chọn tw = 0,7cm - Chiều dày cánh tf chọn khoảng (1/28÷1/35)b →Chọn tf = 0,7cm - Tiết diện xà mái Do chưa quan tâm đến tiết diện tối ưu nên để đơn giản không cần thay đổi tiết diện, chọn tiết diện xà mái không đổi - Chiều cao tiết diện nách khung: h > L= 24 = 0,60m => Chọn h1 = 40cm - Bề rộng tiết diện nách khung : b = (1/2 ÷ 1/5)h1 b ≥ 180 mm, thường lấy bề rộng cánh dầm bề rộng cột => Chọn b = 20cm 3.1.3 Tải trọng thường xuyên Tải trọng thường xuyên ( tĩnh tải ) tác dụng lên khung ngang bao gòm trọng lượng lớp mái, trọng lượng thân xà gồ, 16 trọng lượng thân khung ngang phân bố xà mái: Tải trọng mái tôn, hệ giằng, xà gồ, cửa mái: gtc = 15daN/m2 mặt mái (phân bố theo độ dốc mái), trọng lượng dầm gd = 500 daN Hệ số độ tin cậy tải trọng thường xuyên γQ = 1,1 Gtt = (γQ gtc B )/cosα + γQ gd Tải trọng kết cấu bao che tôn tường, xà gồ tường lấy tương tự mái che: gtc = 120daN/m2 Gtt = γQ gtc B = 1,1.12.6 = 79,20daN/m 3.2.2 Hoạt tải sửa chữa mái Hệ số độ tin cậy hoạt tải sửa chữa mái γQ = 1,3 Theo tiêu chuẩn tải trọng tác động, TCVN 2737-1995, với mái tơn khơng sử dụng ta có giá trị hoạt tải sửa chữa mái tiêu chuẩn 300daN/m2 mặt nhà hoạt tải sửa chữa mái phân bố xà mái xác định sau: Qtc = 30.B ptt = γQ.30.B Khi qui tải trọng phân bố theo xà giá trị tải trọng nhân với cosα: Q = 30.B.cosα Qtt = np.30.B cosα 3.2.3 Tải trọng gió Áp lực gió tác dụng lên khung ngang gồm hai thành phần gió tác dụng vào cột gió tác dụng lên mái xác định theo tiêu chuẩn TCVN 2737 -1995 [2], tỉnh Trà Vinh thuộc phân vùng gió II-A có áp lực gió tiêu chuẩn W0 = 83daN/m2 Căn vào hình dạng mặt nhà góc dốc mái, hệ số khí động xác định theo sơ đồ hệ số khí động C (theo TCVN 2737 - 1995) Nội suy ta có giá trị Ce: 17 Ce1 = - 0,8; Ce2 = - 0,4; Ce3 = - 0,5 Q = γQ W0 k Ce B (daN/m) Trong đó: q: áp lực gió phân bố mét dài khung W0: áp lực gió tiêu chuẩn γQ = 1,2: hệ số độ tin cậy tải trọng gió k: hệ số tính đến thay đổi áp lực gió theo độ cao dạng địa hình ( theo bảng 5, TCVN 2737-1995) C: hệ số khí động, xác định ( theo bảng 3.4) với cách xác định mốc chuản theo phụ lục G, TCVN 2737-1995 B: bước khung Nhịp: L = 24m Chiều cao: Hc = 8,3m Xác định hệ số k: Hệ số k phụ thuộc vào dạng địa hình chiều cao cơng trình Cơng trình khu vực thuộc dạng địa hình A Tra bảng 2-6 TCVN 2737 -1995 chiều cao cột 8,3m, lấy gần hệ số k =1,143 giá trị tải trọng gió phân bố thân cột Tải trọng gió tác dụng lên cột Phía đón gió: Q = γQ W0 k Ce B = 1,2.83.1,143.6.0,8 = 683,65(daN/m) Phía khuất gió: Q = γQ W0 k Ce B = 1,2.83.1,143.6.0,5 = 427,29(daN/m) Tải trọng gió tác dụng mái Phía đón gió: Q = γQ W0 k Ce B = 1,2.83.1,143.6.0,8 = 683,65(daN/m) 18 Phía khuất gió: Q = γQ W0 k Ce B = 1,2.83.1,143.6.0,4 = 273,22(daN/m) Tổ hợp nội lực: Nội lực khung ngang xác định với trường hợp chất tải bẳng phần mềm Lực dọc giới hạn mà tiết diện chịu Ngh = A f γc =0.0042.21.107.0,9= 793800(daN) π EI x 3,1422,1.1010.0.0001841 Ncr = = = 264703,1015 ( daN ) l0 12.00022 A⋅f 0.0042 ⋅ 21.107 = = 1.82538 N cr 264703,1015 λ= Φ = 0,5 1 + α (λ − 0, 2) + λ  = 0, 1 + 0, 21.(1,82538 − 0, 2) + 1,825382  = 2,336683 χx = Φ+ Φ −λ 2 x = 2, 336683 + 2, 3366832 − 1,825386  N k xx = C m x 1 + ( λ x − 0, ) χ x N gh  = 0, 26347    272207.135   = 1 + (1,825386 − 0, ) = 3,11 0, 26347.793800   M xgh =W x f.γc =0.000921.21.106.0,9=174069 (daN.m) M xr = (1 − M x , gh N 272207 13 174069 )⋅ = (1 − )⋅ = 16867,118( daNm ) χ x N gh k xx 0, 26347.7 93800 Tương tự ta tính cho trường hợp cịn lại ta tìm M xr Mômen giới hạn Mxr (daN.m) 19 Nội lực tĩnh tải + hoạt tải 150000 100000 50000 0 100000 200000 300000 Lực dọc N (daN) Hình 3.8.Biểu đồ quan hệ khả ổn định tổng thể giá Mô men giới hạn Mxr / Mr x(i=2%) ( daN.m) trị lực nén Nội lực tĩnh tải + hoạt tải 10 0 100000 200000 300000 Lực dọc N ( daN) Hình 3.9.Biểu đồ tỷ lệ % mô men giới hạn giá trị lực nén Mô men giới hạn Mxr (daN.m) 20 Nội lực tĩnh tải + gió phải 200000 150000 100000 50000 0 20000 40000 60000 80000 Lực dọc N ( daN) Hình 3.10.Biểu đồ quan hệ khả ổn định tổng thể Mô men giới hạn Mxr / Mr x(i=2%) ( daN.m) giá trị lực nén Nội lực tĩnh tải + gió phải 2.5 1.5 0.5 0 20000 40000 60000 80000 Lực dọc N ( daN) Hình 3.11.Biểu đồ tỷ lệ % mơ men giới hạn giá trị lực nén 21 Mômen giới hạn Mxr ( daN.m) Nội lực tĩnh tải + gió trái 200000 150000 100000 50000 0 20000 40000 60000 80000 Lực dọc N ( daN) Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ khả ổn định tổng thể Nội lực tĩnh tải + gió trái 2.5 x(i=2%) ( daN.m) Mô men giới hạn Mxr / Mr giá trị lực nén 1.5 0.5 0 20000 40000 60000 80000 Lực dọc N ( daN) Hình 3.13.Biểu đồ tỷ lệ % mơ men giới hạn giá trị lực nén Mô men giới hạn Mxr (daN.m) 22 Nội lực tĩnh tải + hoạt tải + gió phải 150000 100000 50000 0 50000 100000 150000 200000 Lực dọc N ( daN) Hình 3.14.Biểu đồ quan hệ khả ổn định tổng thể giá trị lực nén ( daN.m) x(i=2%) Mô men giới hạn Mxr / Mr Nội lực tĩnh tải + hoạt tải + gió phải 0 50000 100000 150000 200000 Lực dọc N ( daN) 23 Hình 3.15.Biểu đồ tỷ lệ % mô men giới hạn giá trị lực nén Mô men giới hạn Mxr ( daN.m) Nội lực tĩnh tải + hoạt tải + gió trái 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 50000 100000 150000 200000 Lực dọc N ( daN) Hình 3.16.Biểu đồ quan hệ khả ổn định tổng thể giá trị lực nén Mô men giới hạn Mxr / Mr x(i=2%) ( daN.m) Nội lực tĩnh tải + hoạt tải + gió trái 0 50000 100000 150000 200000 Lực dọc N ( daN) Hình 3.17.Biểu đồ tỷ lệ % mô men giới hạn giá trị lực nén 24 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Khi giá trị lực nén N đạt giá trị Nmax mơmen giới hạn giảm Mxrmin nghĩa giá trị lực nén N tỷ lệ nghịch với mômen giới hạn Trong trường hợp với góc nghiêng mái tăng dần mơmen giới hạn tăng dần bỏ qua khơng kể đến (tức độ dốc mái nằm khoảng i = 1% đến i = 10% ); giá trị lực dọc N đến giá trị Nmim tương ứng độ dốc mái i = 20% dẫn đến Nmax tương ứng i = 1% đến i = 10% ( độ dốc mái khoảng i = 11% đến 20%) mơmen giới hạn Mxrmax tăng tương ứng 3% đến 7% KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn nghiên cứu ổn định tổng thể dầm xà mái khung nhà cơng nghiệp thép có kết cấu mái nhẹ, qua khảo sát kết luận số trường hợp cần phải kể đến ảnh hưởng lực nén đến ổn định tổng thể dầm, cụ thể : Khi độ dốc mái i= 1% - 10% bỏ qua lực nén, coi xà cấu kiện chịu uốn Khi i= 11% - 20% phải kể đến lực nén, lúc tính tốn xà cấu kiện chịu nén uốn Kết luận dựa khảo sát toán cụ thể, để có kết luận mang tính tổng qt nên khảo sát thêm nhiều trường hợp khác với nhịp khung thay đổi