CHƯƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP 1 TẦNG SỬ DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VÀ KẾT CẤU THÉP
3.2. Đánh giá hiệu quả sử dụng vật liệu
Trong phần này sẽ thực hiện thiết kế các khung nhà công nghiệp cho kết cấu CFT và kết cấu thép có nhịp thay đổi từ 18m, 21m, 24m, 30m, 36m. Kích thước khung ngang được chọn tương ứng với nhịp thiết kế. Lấy kết cấu mái cho mỗi nhịp thiết kế là như nhau cho khung sử dụng kết cấu CFT và khung sử dụng kết cấu thép. Các thông số khác được lấy giống nhau gồm:
•Bước khung: B = 6 m; toàn bộ nhà dài là 96 m.
•Sức trục: Q = 20 tấn; Số cầu trục làm việc trong xưởng là 2 chiếc, chế độ làm việc trung bình.
•Vùng gió: IIB
•Chiều cao dầm cầu trục: hdct= 0.75 m; Chiều cao ray: hr= 0,15m.
•Mái lợp tôn múi dày 0,51mm
•Vật liệu: Ống thép tròn ống thép hàn xoắn AWWA C200 sử dụng thép Q235, có fy= 235 MPa, E = 21×104 Mpa. Bê tông móng, cột CFT sử dụng C25/30 có fck = 25MPa, Ecm= 33×103 Mpa.
Dựa vào nội dung tính toán trong phần 3.1. Thực hiện tính toán thiết kế cho tất cả các nhịp. Qúa trình thực hiện được trình bày chi tiết trong phụ lục. Ở đây chỉ sử dụng kết quả tính toán để thực hiện các đánh giá so sánh.
3.2.1. Nhận xét về khả năng chịu lực
Với kết quả thiết kế cột cho các nhịp khác nhau cho khung ngang một tầng một nhịp sử dụng cột CFT và cột thép thấy rằng.
Lực dọc tác dụng vào cột nhỏ hơn rất nhiều so với khả năng chịu lực của cột, trong khi đó mô men tác dụng rất lớn, điều đó cho thấy với nhà công nghiệp một tầng cột chủ yếu chịu mô men. Tuy nhiên do sự bố trí tiết diện đều theo cả hai phương nên cột CFT chưa khai thác hết khả năng chịu lực theo phương dọc nhà trong khi đó khả năng chịu lực theo phương ngang nhà bị hạn chế hơn so với cột thép do được tính toán và bố trí tiết diện chủ yếu theo phương ngang nên tối ưu hơn về khả năng chịu lực.
Do đó, nếu sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông nên tăng kích thước bước khung để khai thác hết khả năng àm việc hai phương của tiết diện.
3.2.2. Đánh giá về sử dụng vật liệu
Với mỗi nhịp cụ thể, chọn được tiết diện ngang của cột CFT và cột thép cho trong bảng 3.6. Thống kê vật liệu thép sử dụng trong hai trường hợp trong bảng 3.7
Bảng 3.6. Tiết diện cột thép và cột CFT trong các trường hợp khảo sát
Thiết kế
KẾT CẤU THÉP CFT
h (mm)
b (mm)
tw
(mm)
tf
(mm)
As (cm2)
D (mm)
t (mm)
As (cm2) L=18M
500 300 10 11 113.8 500.00 7.00 108.42
B=6M H=9.8M
L=21M
550 350 10 11 129.8 500.00 8.00 123.65
B=6M H=11.8M
L=24M
600 350 11 14 160.92 600.00 8.00 148.79 B=6M
H=11.8M L=30M
650 350 12 14 172.64 600.00 9.00 167.10 B=6M
H=11.8M L=36M
700 350 13 16 198.84 700.00 9.00 195.38 B=6M
H=11.8M
Bảng 3.7. Tỉ lệ sai lệch diện tích cột thép và cột CFT trong các trường hợp
NHỊP (m)
CỘT THÉP CỘT CFT SAI
LỆCH (%) As KẾT CẤU
THÉP (cm2)
ĐỘ CỨNG K (kNm2)
As CFT (cm2)
ĐỘ CỨNG K (kNm2)
L=18M 113.80 101982.09 108.42 1437232.71 -4.73
L=21M 129.80 143219.06 123.65 1624520.47 -4.74
L=24M 160.92 212737.09 148.79 2849722.35 -7.54
L=30M 172.64 258681.59 167.10 3175026.26 -3.21
L=36M 198.84 342962.17 195.38 5106131.02 -1.74
Hình 3.9. Biểu đồ quan hệ nhịp và diện tích Nhận xét:
Đồ thị trên đánh giá mức độ sử dụng vật liệu thép khi thiết kế nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp với sự thay đổi nhịp nhà L=18m, L=21m, L=24m, L=30m,L=36m cho thấy cột thép sử dụng nhiều thép hơn so với cột CFT, độ chênh này trung bình khoảng 4.39%.
Kết quả đồ thị cũng phản ánh rằng khi kích thước nhịp lớn thì mức độ sử dụng vật liệu thép không có sự chênh lệch đáng kể. Bên cạnh đó cột CFT phải có thêm bê tông nhồi vào trong ống, cho thấy hiệu quả sử dụng vật liệu của kết cấu thép tốt hơn so với cột CFT. Điều này cũng có thể hiểu được vì với tiết diện thép tổ hợp hàn có thể lựa chọn được tiết diện tối ưu nhất cho nội lực khung điều này không thể xảy ra đối với ống thép tròn.
3.2.3. Đánh giá về độ cứng kháng uốn của tiết diện
Với từng nhịp tính toán, tính toán độ cứng ngang của tiết diện như trong bảng 3.8 Bảng 3.8. Độ cứng cột thép và cột CFT trong các trường hợp tính toán
NHỊP (m)
CỘT THÉP CỘT CFT
KCFT/KS
ĐỘ CỨNG K (kNm2)
ĐỘ CỨNG K (kNm2)
L=18M 101982.09 1437232.71 14.09
L=21M 143219.06 1624520.47 11.34
L=24M 212737.09 2849722.35 13.40
L=30M 258681.59 3175026.26 12.27
L=36M 342962.17 5106131.02 14.89
Nhận xét: Kết quả khảo sát độ cứng cho cột CFT và cột thép cho thấy sự chênh lệch về độ cứng của tiết diện cột CFT so với cột thép là 13.2 lần. Do đó đối với những công trình yêu cầu về độ cứng lớn , chịu tải trọng động thì giải pháp sử dụng kết cấu cột CFT sẽ hợp lý hơn.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Luận văn đã thực hiện đánh giá hiệu quả của giải pháp kết cấu CFT và kết cấu thép trong nhà công nghiệp 1 tầng 1 nhịp .Các kết quả từ luận văn như sau:
- Đã tính toán thiết kế hai khung nhà công nghiệp sử dụng kết cấu cột thép và cột ống thép nhồi bê tông.
- Thực hiện thiết kế cho nhiều khung nhà với kích thước nhịp thay đổi từ L=18m, L=21m, L=24m, L=30m,L=36m với tải trọng tương ứng. Đánh giá 2 phương án khung như sau:
+ Diện tích thép sử dụng cho cột CFT ít hơn so với cột thép, tuy nhiên sự chênh lệch này không nhiều, bên cạnh đó cột CFT phải có thêm bê tông nhồi vào trong ống, cho thấy hiệu quả sử dụng vật liệu của kết cấu thép tốt hơn so với cột CFT. Điều này có thể hiểu vì sự bố trí tiết diện đều theo cả hai phương nên cột CFST chưa khai thác hết khả năng chịu lực theo phương dọc nhà trong khi đó khả năng chịu lực theo phương ngang nhà bị hạn chế hơn so với cột thép do tiết diện của cột thép được tổ hợp hàn nên có thể lựa chọn được tiết diện tối ưu nhất cho nội lực khung điều này không thể xảy ra đối với ống thép tròn.
+ Độ cứng cột CFT lớn hơn rất nhiều so với cột thép khi thiết kế cùng nhịp. Do đó những công trình yêu cầu cao về độ cứng và khả năng chịu tải trọng động thì kết cấu cột CFT là giải pháp hợp lý.
+ Bên cạnh đó nếu xét về yếu tố thi công thì kết cấu thép thi công nhanh hơn vì chỉ thực hiện lắp ghép tại công trường không có thời gian chờ như cột CFT cho việc đổ bê tông.
+ Khả năng chống cháy và chi phí bảo dưỡng của cột CFT tốt hơn so với cột thép.
Như vậy, với đặc điểm của nhà công nghiệp một tầng một nhịp là Lực dọc tác dụng vào cột nhỏ hơn rất nhiều so với khả năng chịu lực của cột, trong khi đó mô men tác dụng rất lớn thì với phạm vi nghiên cứu của luận văn cho thấy việc sử dụng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông cho hiệu quả không đáng kể so với kết cấu thép truyền thống. Tuy nhiên với những trường hợp khác thì kết quả này chưa được kiểm chứng và cần có những nghiên cứu thêm.
2. Kiến nghị
Cần khảo sát tính hiệu quả của giải pháp kết cấu cột ống thép nhồi bê tông cho nhà công nghiệp nhiều nhịp, nhiều tầng với các tải trọng cầu trục khác nhau.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1]. Phạm Văn Hội, - Kết cấu liên hợp thép bêtông dùng trong nhà cao tầng . NXB KHKT, Hà Nội.
[2]. Đoàn Định Kiến (Chủ biên), Phạm Văn Tư, Nguyễn Quang Viên, Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
[3]. Nguyễn Viết Trung (Chủ biên), Trần Việt Hùng (2006), Kết cấu ống thép nhồi bê tông, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội.
Tiếng Anh
[4]. Eurocode 4 (2005), Design of composite steel and concrete structures: Part 1-1: General rules andrules for buildings, UK.