I. Tổng quan về thanh thành mỏng
Thanh thành mỏng là kết cấu dạng thanh có kích thước theo một phương lớn hơn rất nhiều so với hai phương còn lại. Đặc biệt, kích thước của một phương trong hai phương còn lại nhỏ hơn rất nhiều so với phương kia. Thanh thành mỏng thường có chu vi hở và được xem là một kết cấu đặc biệt. Kết cấu thanh thành mỏng có trọng lượng nhỏ nhưng khả năng chịu lực lớn, được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng như nhà thấp tầng, cầu, và các công trình công nghiệp.
1.1. Khái niệm và đặc điểm
Theo định nghĩa của Vlasov, thanh thành mỏng là thanh thẳng có kích thước theo ba chiều có bậc khác nhau. Thanh được xem là mỏng khi tỷ lệ giữa bề dày và chiều rộng (hoặc chiều cao) nhỏ hơn hoặc bằng 0,1. Kết cấu thanh thành mỏng có ưu điểm về trọng lượng nhẹ, khả năng chịu lực tốt, và dễ dàng lắp dựng. Tuy nhiên, chúng cũng có nhược điểm như giá thành cao hơn so với thép cán nóng và yêu cầu tính toán phức tạp.
1.2. Ứng dụng và tiêu chuẩn
Kết cấu thanh thành mỏng được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng, đặc biệt là các bộ phận chịu lực như dàn mái, dầm sàn, và khung nhà. Các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thanh thành mỏng trên thế giới bao gồm Tiêu chuẩn Bắc Mỹ (AISI), Tiêu chuẩn Châu Âu (Eurocode 3), và Tiêu chuẩn Úc/New Zealand (AS/NZS 4600:2018). Các tiêu chuẩn này đưa ra các quy định và phương pháp tính toán cụ thể để đảm bảo độ ổn định và an toàn của kết cấu.
II. Các dạng ổn định của thanh thành mỏng tiết diện chữ C
Thanh thành mỏng tiết diện chữ C có thể bị mất ổn định dưới nhiều dạng khác nhau, bao gồm mất ổn định cục bộ, mất ổn định tổng thể, và mất ổn định vênh một phần tiết diện. Các dạng mất ổn định này phụ thuộc vào hình dạng tiết diện, trạng thái chịu lực, và tỷ lệ giữa các kích thước của tiết diện. Việc tính toán và kiểm tra các dạng mất ổn định này là rất quan trọng để đảm bảo độ bền và ổn định của kết cấu.
2.1. Mất ổn định cục bộ
Mất ổn định cục bộ xảy ra khi các phần tử của tiết diện (như bản cánh hoặc bản bụng) bị biến dạng cục bộ do ứng suất nén hoặc uốn. Đây là dạng mất ổn định phổ biến nhất trong thanh thành mỏng, đặc biệt là khi tỷ lệ giữa bề rộng và bề dày của các phần tử lớn. Việc tính toán mất ổn định cục bộ cần dựa trên các tiêu chuẩn như AS/NZS 4600:2018 để đảm bảo độ chính xác.
2.2. Mất ổn định tổng thể
Mất ổn định tổng thể xảy ra khi toàn bộ tiết diện của thanh bị biến dạng do tác động của tải trọng. Dạng mất ổn định này thường xảy ra khi thanh chịu tải trọng nén hoặc uốn lớn. Việc tính toán mất ổn định tổng thể cần xem xét các yếu tố như chiều dài thanh, điều kiện liên kết, và hình dạng tiết diện. Phương pháp tính trực tiếp khả năng chịu lực (DSM) được sử dụng để kiểm tra mất ổn định tổng thể.
III. Tính toán ổn định theo tiêu chuẩn Úc AS NZS 4600 2018
Tiêu chuẩn Úc AS/NZS 4600:2018 đưa ra các quy định và phương pháp tính toán chi tiết để kiểm tra độ ổn định của thanh thành mỏng tiết diện chữ C. Các phương pháp tính toán bao gồm phương pháp tính trực tiếp khả năng chịu lực (DSM) và phương pháp dải hữu hạn (FSM). Các phương pháp này giúp xác định khả năng chịu lực của thanh dưới các tải trọng khác nhau, đảm bảo độ bền và ổn định của kết cấu.
3.1. Phương pháp tính trực tiếp khả năng chịu lực DSM
Phương pháp DSM là phương pháp tính toán trực tiếp khả năng chịu lực của thanh thành mỏng dựa trên các đặc trưng hình học và vật liệu của tiết diện. Phương pháp này được sử dụng để kiểm tra các dạng mất ổn định như mất ổn định cục bộ, mất ổn định tổng thể, và mất ổn định vênh một phần tiết diện. DSM đơn giản hóa quá trình tính toán và cho kết quả chính xác, phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế.
3.2. Phương pháp dải hữu hạn FSM
Phương pháp FSM là phương pháp tính toán dựa trên việc chia tiết diện thành các dải hữu hạn và phân tích ứng suất trên từng dải. Phương pháp này được sử dụng để kiểm tra mất ổn định tổng thể và mất ổn định vênh một phần tiết diện. FSM đòi hỏi sử dụng phần mềm chuyên dụng như Thin-Wall 2 để thực hiện các tính toán phức tạp. Kết quả từ FSM được so sánh với DSM để đảm bảo độ chính xác.
