P cv kRI I + I ;
3.4. Khảo sát sự làm việc không gian
3.4.1. Sử dụng mô hình gối đàn hồi đầu cột
- Khung ngang một nhịp, cột có tiết diện không đổi, liên kết giữa cột và xà ngang là nút cứng, áp dụng công thức (2.31) ta xác định được
3 3 4 6 H 830 cm k 1,187 10 24 EI 24 2,1 10 95577,95 kG
- Hệ giằng gồm có: 1 thanh giằng ở đầu cột và 2 thanh giằng chéo tiết diện 2L50x5 được thay thế bằng dầm có độ cứng tương đương.
+ Trọng tâm của hệ giằng: 1 1 2 2
1 2
m y +2m y
y 2,20(m)
m +2m
+ Độ cứng của hệ giằng (bỏ qua độ cứng bản thân thanh giằng):
2 2 4 I 4 4,8 (300 220) 2 4,8 220 587520 (cm ) EI = 2,1106587520=123379210 (kG.6 cm )2 i = EI/B = 123379210 /600=2056,326 10 (kG.cm)6 - Xác định được: 4 2 6 4 2 2 4 kg 2 2 4 2 2 4 1,187 10 (108 2056,32 600 10 7 600 36 2056,32 1,187 10 ) k = 180 2056,32 1,187 10 204 2056,32 1,187 10 600 7 600 = 0,32 (cm/kG) Hệ số đàn hồi c=1/k=3,11(kG/cm) =3,11(kN/m) là độ cứng của gối đàn hồi được đưa vào vị trí đầu cột trong mô hình khung phẳng để để kể đến sự làm việc không gian.
Kết quả tính toán nội lực và chuyển vị khung được thống kê trong bảng 3.1, 3.2. o giằng giằng 2200 x x y y 6000 6000 Hình 3.15. Hệ giằng mái (Nguồn: Tác giả)
58
3.4.2. Sử dụng hệ số không gian
- Xác định tham sốβtheo công thức (2.36):
β= 3 3 n p B I d /(H I ) Trong đó: + B = 6 (m) + H = 8,3 (m) + 3 3 3 n 20 40 9,7 19 I 2 95577,95 (cm ) 12 12 + 4 kR
I 41,5(cm ) - theo catalog mái tôn nhẹ.
+ 4
cv
I 22 (cm ) - mômen quán tính của tiết diện 2L50x5
+ '
b
k = 12 - tra bảng 2.2 với n=1 (do cột có tiết diện không đổi) và
ε=2/8,3=0,24. Suy ra: d=1
Tính 3
P cv kR
I =I +I =22+41,5=63,5(cm ) In. Nên xác định hệ số βquá lớn không phù hợp với bảng tra. Tính toán trên không phù hợp với nhà công nghiệp nhẹ.
3.4.3. Xây dựng mô hình khung không gian trong phần mềm SAP2000
Mô hình khung không gian được thiết lập, khảo sát và tính toán trong SAP2000, kết quả nội lực (M, N, V) và chuyển vị (U1, U3) được đưa ra tại các khung.
Để so sánh giữa khung phẳng và khung không gian, kết quả lấy ra của các khung sau: khung trục 2 (gần khung đầu hồi), khung trục 5 (thuộc gian có giằng ngang) và khung trục 6 (thuộc gian không có giằng ngang). Với tổ hợp COMBO8 (xét nội lực) và CVI 6 (xét chuyển vị) của nhà có cầu trục chỉ để khảo sát ảnh hưởng của gió dọc nhà với khung nhà.
76
3.5. Nhận xét chương 3
Kết quả tính toán khảo sát cho phép rút ra một số nhận xét sau:
- Việc tính toán khung thép nhẹ của nhà công nghiệp theo mô hình không gian bằng các phần mềm phân tích kết cấu như SAP, ETABS ... là thuận tiện và cho phép mô tả đầy đủ hơn, chính xác hơn sự làm việc của kết cấu.
- Khảo sát khung phẳng có sử dụng gối đàn hồi đầu cột và sử dụng hệ số không gian, kết quả cho thấy như sau:
+ Sử dụng gối đàn hồi đầu cột: qua các bảng kết quả 3.1 và 3.2, kết quả nội lực và chuyển vị không thay đổi so với khung phẳng. Kết quả này không hợp lý, có độ tin cậy thấp.
+ Phương pháp hệ số không gian: không phù hợp với khung nhẹ bởi các kết quả tính toán nằm vượt phạm vi bảng tra.
Nên hai cách trên không phù hợp áp dụng cho nhà khung nhẹ.
- Với nhà không có cầu trục, nội lực và chuyển vị của khung phẳng tương đương với khung không gian (kết quả thống kê trong bảng 3.3 và 3.4). ảnh hưởng của hệ giằng là ít nên có thể dùng khung phẳng để tính cho nhà không cầu trục.
- Với nhà có cầu trục, kết quả thống kê trong bảng 3.5 và 3.6. Các cặp nội lực nguy hiểm tại các tiết diện khung trong hệ không gian (thường ở tiết diện vai cột của nhà có cầu trục) nhìn chung là ít chênh lệch so với trường hợp tính khung phẳng. Tuy nhiên nội lực ở tại tiết diện chân cột lại tăng lên khá nhiều (nhất là khi sử dụng giằng chéo là thép hình). Do vậy, quan niệm “tính khung phẳng” không phải là an toàn trong mọi trường hợp, kể cả trường hợp tải trọng là phân bố đều. Ngoài ra, người thiết kế cũng cần phải lưu ý đến vấn đề này khi thiết kế chân cột và móng.
77
- Nội lực và chuyển vị của khung ngang thuộc gian có giằng và gian không có giằng là chênh lệch ít.
- Việc sử dụng giằng chéo là thép tròn hay thép hình (thép góc) có ảnh hưởng đến nội lực là không nhiều, nhưng lại ảnh hưởng nhiều đến chuyển vị (thống kê trong bảng 3.7).
- So với trường hợp chỉ xét khung phẳng, chuyển vị ngang của các cột khung khi xét đến sự làm việc không gian giảm đi đáng kể (có thể đến 40%).
- Quy định cần kiểm tra chuyển vị của đỉnh cột khung với tổ hợp tĩnh tải và tải trọng gió của TCVN nói chung cũng phù hợp đối với khung thép nhẹ, vì mặc dù kết quả tính toán chuyển vị cho thấy chuyển vị lớn nhất của đỉnh cột không phải do tổ hợp này mà do tổ hợp số 4 (có xét thêm tải trọng của cầu trục) nhưng chênh lệch là không đáng kể (với những số liệu đã khảo sát).
- Khung trục 2 có nội lực nhỏ hơn so với các khung khác do có liên kết với khung đầu hồi, từ đó nội lực được phân phối cho khung đầu hồi có độ cứng lớn.
- Qua khảo sát gió dọc nhà, tải gió dọc nhà gây ra nội lực và chuyển vị rất nhỏ không đáng kể, có thể bỏ qua được. Tuy nhiên, với các nhà có chiều dài nhỏ, tải gió dọc nhà gây ra các nội lực và chuyển vị đáng kể. Gió dọc nhà gây ra nội lực chủ yếu với cột chống gió đầu hồi. Nên trong tính toán cũng cần quan tâm đến điều này.
- ảnh hưởng của hệ giằng có vai trò rất lớn trong việc phân phối và chịu tải ngang. Xem trong bảng 3.5 và 3.6, các COMBO 2, 4, 6 là các tổ hợp có tải gió tác dụng, khung phẳng có nội lực lớn hơn đáng kể so với khung không gian. Như vậy, hệ giằng làm tăng sự ổn định của khung nhà khi chịu tải trọng ngang. Và nó còn giúp phân phối lại nội lực trong khung, đặc biệt trong cột, mômen được phân đều hơn theo chiều cao cột (chân cột, vai cột, đỉnh cột). Khung phẳng: mômen thường lớn ở chân cột và nhỏ hơn ở phía vai cột và đỉnh cột.
78
- Cần mở rộng việc khảo sát đối với các trường hợp khác như: kích thước khung thay đổi, khung nhiều nhịp, cấu tạo giằng khác nhau, tải trọng tác dụng dọc nhà, ... để có các kết luận chính xác và tổng quát hơn.
79
Kết luận và khuyến nghị
Kết luận
Việc nghiên cứu sự làm việc không gian của khung thép nhẹ rất cần thiết do hiện tại loại khung này được ứng dụng rất phổ biến ngoài thực tế. Kết quả khảo sát cho thấy sự làm việc không gian của khung ảnh hưởng đến nội lực và chuyển vị, đặc biệt là chuyển vị.
Các nghiên cứu về sự làm việc không gian của khung ngang chỉ phù hợp với nhà công nghiệp truyền thống. Việc áp dụng các kết quả nghiên cứu đó cho nhà công nghiệp khung nhẹ không phù hợp.
Khung nhà có xét đến sự làm việc không gian sẽ phản ánh đầy đủ, chính xác hơn sự làm việc của nó. Qua khảo sát, trong mọi trường hợp không phải tính khung phẳng cũng an toàn; chuyển vị của khung xét đến sự làm việc không gian có ảnh hưởng rõ rệt. Nên xét đến sự làm việc không gian của nhà là cần thiết, đặc biệt với nhà có cầu trục. Ngày nay, với sự hỗ trợ của máy tính và các phần mềm chuyên dụng, xây dựng mô hình không gian là một hướng khả thi để có thể xét đến sự làm việc không gian của khung.
Ngoài ra, cần thiết phải có sự nghiên cứu về mặt lý thuyết cũng như thí nghiệm để có thể đưa ra một lý thuyết tính toán làm cơ sở để xét đến sự làm việc không gian của khung thép nhẹ.
Khuyến nghị
Với người thiết kế, sự làm việc không gian của khung làm ảnh hưởng đến nội lực và chuyển vị, đặc biệt là chuyển vị. Nên tính toán bằng khung phẳng, để đảm bảo chuyển vị, phải tăng độ cứng khung lên nhiều, gây lãng phí vật liệu mà chuyển vị được đảm bảo khi dùng khung không gian. Đồng thời, quan niệm tính
80
toán khung phẳng không phải lúc nào cũng an toàn trong mọi trường hợp. Người thiết kế cần lưu tâm đến vấn đề này.
Với nhà nghiên cứu, sự làm việc không gian của khung thép nhẹ chưa được nghiên cứu nhiều. Sự làm việc không gian của nhà công nghiệp truyền thống đã được các nước nghiên cứu nhiều, nhưng việc áp dụng cho nhà khung thép nhẹ này là không phù hợp. Nên làm việc không gian của khung cần được nghiên cứu về lý thuyết cũng như khảo sát thực tế để đưa ra các lý thuyết tính toán cho phù hợp.
Hướng phát triển của đề tài
- Xét đến các yếu tố như tấm mái, xà gồ đến sự làm việc không gian của nhà.
81
Tài liệu tham khảo
1. TCXDVN 338-2005:Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế.
2. TCVN 2737-1995:Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế.
3. Tuyển tập TCVN: Thép kết cấu và thép dùng cho xây dựng. Nhà xuất bản Xây dựng. Hà Nội, 2001.
4. Phạm Văn Hội (chủ biên).Kết cấu thép 1: Cấu kiện cơ bản. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. Hà Nội, 2006.
5. Phạm Văn Hội (chủ biên). Kết cấu thép 2: Công trình dân dụng và công nghiệp. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. Hà Nội, 1998.
6. Đoàn Định Kiến (chủ biên). Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. Hà Nội, 1998.
7. Đoàn Tuyết Ngọc, Phạm Minh Hà. Tính toán khung thép nhẹ theo Tiêu chuẩn Việt Nam và Tiêu chuẩn Mỹ.Đại học Kiến trúc Hà Nội, 2007.
8. Phạm Minh Hà, Đoàn Tuyết Ngọc. Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp. Nhà xuất bản Xây dựng. Hà Nội, 2008.
9. Vũ Quốc Anh.Nghiên cứu phương pháp phân tích và tính toán khung thép với các liên kết đàn hồi. Luận án TSKT. Đại học Kiến trúc Hà Nội, 2003. 10.Nguyễn Văn Yên. Tính toán kết cấu thép. Đại học Bách khoa thành phố
Hồ Chí Minh, 1986.
11. Trần Thị Thôn. Bài tập thiết kế kết cấu thép. Nhà xuất bản Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2007.
12. Hoàng Phú Thịnh.Phân tích ổn định và xác định hệ số chiều dài tính toán khung thép nhẹ có liênkết đàn hồi. Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Kiến truc Hà Nội, 2007.
82
13.AISC 1999. Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings.
14.MBMA 2002.Metal Building Systems Manual. 15.Zamil Steel. Technical handbook. 1999.
16. Professor Greg Hancock.Design of cold-Formed Steel structures seminar. University of Sydney, 2008. 17.Сахновский М.М. Легкие конструкции стальных каркасов зданий и сооружений.Изд.“Будiвельник”. Киев, 1984. 18. Кудишин Ю.И. Металлические конструкции. Изд. “Академия”. Москва, 2007. 19. Беленя Е.И. и др. Металлические конструкции. Стройиздат. Москва, 1985.
20. Cổng thông tin điện tử:
www.ketcau.com www.steel.org.au www.ketcau.wikia.com