CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THANH THÀNH MỎNG 1. Khái niệm về thanh thành mỏng Kết cấu thanh thành mỏng là kết cấu dạng thanh có kích thước theo một phương lớn hơn rất nhiều so với kích thước của 2 phương còn lại. Trong 2 phương còn lại thì kích thước của 1 phương lại nhỏ hơn rất nhiều so với phương kia. Thanh thành mỏng thường có chu vi hở và kết cấu loại thanh này được xem là một kết cấu đặc biệt.1: Kết cấu 1 dạng thanh thành mỏng Ở hình trên dạng thanh thành mỏng có bề dày rất bé so với đường trung bình mặt cắt ngang và S lại rất bé so với chiều dài l của thanh.
Loại kết cấu này có trọng lượng nhỏ nhưng khả năng chịu lực lớn cho nên được sử dụng trong kết cấu công trình xây dựng nhà thấp tầng như văn phòng, bệnh viện, trường học, xây dựng cầu. Kết cấu thanh thành mỏng (tạo hình nguội) có xu hướng sử dụng ngày càng phổ biến trên thế giới bởi các ưu điểm của nó về chi phí vật liệu, công nghiệp hóa trong sản xuất cũng như thuận tiện trong việc vận chuyển và lắp dựng. Ở Việt Nam loại kết này đã được quan tâm và sử dụng. Các vấn đề liên quan về thanh thành mỏng 1.
Quan điểm tính toán thanh thành mỏng V.Vlasov định nghĩa thanh thành mỏng là thanh thẳng có kích thước theo 3 chiều có bậc khác nhau.2: Kích thước 3 chiều thanh thành mỏng Hình 1.2 là kết cấu thanh thành mỏng dạnh hình trụ hoặc lăng trụ có mặt cắt ngang gồm hữu hạn các tấm mỏng và hẹp (phẳng hoặc cong). Các tấm thành phần được liên kết cứng với nhau để các tấm không dịch chuyển tự do với tấm liên kết với nó tại bất kỳ điểm chung nào. Thanh được xem là thanh thành mỏng khi: d 0,1; 0,1 d l Với : chiều dày; d: chiều rộng (hoặc chiều cao); l: chiều dài thanh. Vlasov phát triển định nghĩa thành thành mỏng với từ việc phân tích ứng xuất trong thanh (có kể đến xoắn kiềm chế hoặc không kiềm chế).
Với kết cấu thép tạo hình nguội, các phần tử của cấu kiện (bản cánh, bản bụng, sườn…) là mỏng và tỷ số giữa bề rộng với bề dày lớn hơn rất nhiều so với thép cán nóng. Phần tử mỏng thì rất dễ mất ổn định cục bộ ở ứng suất thấp hơn giới hạn chảy khi chúng chịu nén, uốn, nén uốn đồng thời, cắt, ép mặt…Do đó mất ổn định cục bộ của các phần tử của tiết diện thép tạo hình nguội là tiêu chí tính toán chính của thanh thành mỏng. Một số định nghĩa về cấu kiện thành mỏng Hình 1.3: Các phần tử thanh thành mỏng a) Phần tử (elment): là bộ phận của tiết diện hoặc cấu kiện thành mỏng: bản bụng, bản cánh, mép, góc, sườn tăng cứng… b) Phần tử phẳng (flats element): là phần tử nằm trong mặt phẳng, không có uốn, không có mép (phần tử 1. c) Góc uốn (bend): Có hình cung tròn, tỷ lệ bán kính trong trên bề dày <= (phần tử 2.
d) Phần tử cong (arched element): Phần tử cong hình cung tròn hoặc prabol có tỷ lệ bán kính trong trên bề dày 8 (phần tử 5 hình 1. e) Phần tử nén không được tăng cứng (unstiffened compression element u.e): là phần tử phẳng chịu nén chỉ có một cạnh song song với chiều nội lực được tăng cứng bằng sườn hoặc bằng phần tử khác.4: Tiết diện với phần tử nén không tăng cứng f) Phần tử nén được tăng cứng hoặc được tăng cứng một phần (s.e): là phần tử phẳng chịu nén có 2 cạnh song song với chiều nội lực được tăng cứng bằng bụng, sườn biên, sườn trung gian hoặc phần tử khác.5: Tiết diện với phần tử nén được tăng cứng g) Phần tử nén đuợc tăng cứng nhiều làn (Multiple-stiffened compression element): là phần tử được tăng cứng ở giữa bản bụng hoặc giữa bản bụng và một mép cứng bởi các sườn trung gian song song với chiều của nội lực. Phần tử phẳng nằm giữa các sườn cứng hoặc giữa bản bụng và sườn trung gian, sườn biên được gọi là "phần tử con".6: Tiết diện với phần tì nén được tăng cứng nhiều lần h) Sườn (stiffener): Sườn biên (edge stiffener): phần tử được tạo hình tại mép của phần tử phẳng (hình 1.7a); Sườn trung gian (intermediate stiffener): phần tử được tạo hình giữa các mép, giữa bản cánh của phần tử nén được tăng cứng một hoặc nhiều lần (hình 1.7: Sườn biên và sườn trung gian i) Bề rộng phẳng (flat width): là bề rộng của phần phẳng của phần tử không bao gồm đoạn cong. j) Bề dày (thickness): bề dày của thép cơ bản, không kể lớp phủ bảo vệ.
Kích thước giới hạn của cấu kiện thành mỏng Tỷ số giũa bề rộng phẳng của bản cánh và bề dày: Giá trị lớn nhất của tỷ số giữa bề rộng phẳng và bề dày: Giá trị lớn nhất cho phép của tỷ số giữa bề rộng phẳng và bề dày, w / t , bỏ qua các sườn tăng cứng trung gian và t là bề dày thực tế của cấu kiện. a) Phần tử nén được tăng cứng có một cạnh liên kết với bản bụng hoặc bản cánh hoặc phần tử tăng cứng khác: + Sườn đơn w / t 60; + Các loại sườn khác: Khi I s I a , w / t 60 ; Khi I s I a , w / t 90. Trong đó: I s = Mô men quán tính của sườn đối với trục đi qua trọng tâm sườn và song song với phần tử được tăng cứng. b) Phần tử nén được tăng cứng có hai cạnh liên kết với phần tử tăng cứng khác: w / t 500.
c) Phần tử nén không được tăng cứng, w/t 60. Giá trị lớn nhất của tỉ số giữa chiều cao bản bụng và bề dày. Tỷ số, h / t của bản bụng cấu kiện chịu uốn không được vượt quá giá trị giới hạn sau: - Đối với bản bụng không có sườn h / t 200; - Đối với bản bụng có sườn ngang h / t 260. d) Đối với bản bụng có sườn ngang và sườn trung gian h / t 300 Trong đó: h = Chiều cao phẳng của bản bụng; t = Bề dày của bản bụng.
Nếu bản bụng gồm nhiều tấm thì tỉ số h / t tính cho từng tấm riêng rẽ. Ưu nhược điểm của kết cấu thành mỏng Khi so với kết cấu thép cán nóng truyền thống thì kết cấu thanh thành mỏng có những ưu và nhược điểm: a) Ưu điểm: Trọng lượng thép giảm 25 − 50% , về lý thuyết có thể giảm nhiều hơn nữa nhưng kèm theo khó khăn tốn kém về chế tạo và không còn kinh tế nữa. Lắp dựng nhanh và dễ dàng, giảm thời gian chế tạo và lắp ráp tới 9 30% đối với cấu kiện có các thanh và các nút thống nhất hóa như dàn mái không gian thì thời gian còn giảm nhiều hơn nữa. Hình dạng được chọn tự do, đa dạng theo yêu cầu.
Đặc trưng chịu lực của tiết diện là có lợi, do sự phân bố vật liệu hợp lý đặc biệt là đối với tiết diện kín. b) Nhược điểm: Giá thành thép dập nguội cao hơn thép cán nóng. Chi phí phòng gỉ cao hơn vì bề mặt tiết diện lớn hơn. Tiết diện thép thành mỏng có sự làm việc rất phức tạp, tiết diện lại được chọn theo tính toán và cấu tạo nên không có những bảng tra sẵn.
Ứng dụng kết cấu thanh thành mỏng và các quy phạm thiết kế trên thế giới 1. Ứng dụng kết cấu thanh thành mỏng Kết cấu thanh thành mỏng đã và đang được được sử dựng ngày càng nhiều, đa dạng trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng. Phạm vi ứng dụng đem lại hiệu quả cao của kết cấu thành mỏng phụ thuộc vào điều kiện chế tạo, điều kiện chịu lực, điều kiện kinh tế, điều kiện sử dụng và yêu cầu về thiết kế kiến trúc. Hai phạm vi chính của kết cấu thanh thành mỏng: các bộ phận chịu lực và các chi tiết, bộ phận kiến trúc.
a) “Nhóm 1 (các bộ phận chịu lực): gồm các kết cấu chịu lực được chế tạo hoàn toàn bằng thanh thành mỏng hoặc là liên hợp với các vật liệu khác như thép cán nóng, bê tông, gỗ. Ứng dụng cho các loại dàn mái, dầm sàn, xà gồ, dầm tường, xà gỗ rỗng nhịp tới 12m, khung nhà dân dụng và công nghiệp, dàn mái không gian, vỏ mỏng” [2], [3]. Tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế kết cấu thanh thành mỏng trên thế giới a) Tiêu chuẩn Bắc Mỹ (AISI): Mỹ là nước đầu tiên có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép tạo hình nguội năm 1946. Các nghiên cứu thực hiện từ năm 1939 đến năm 1946 trên các kiện như dầm, khung phẳng, tấm mái và liên kết 10 dưới sự giám sát của tiểu ban kỹ thuật Viện Sắt và thép Hoa Kỳ (AISI).
Các ấn bản tiếp theo của tiêu chuẩn lần lượt được ra mắt năm 1956, 1960, 1962,1968,1980,1986,1989 sử dụng phương pháp ứng suất cho phép. Tiêu chuẩn năm 1991 sử dụng phương pháp hệ số tải trọng và cường độ. Từ năm 2001 tiêu chuẩn đổi tên thành tiêu chuẩn bắc Mỹ dùng chung cho cả Mỹ, Canada, Mexico. b) Tiêu chuẩn Anh và Châu Âu (BS/Eurocode) Theo chương trình chung của Châu Âu, tiêu chuẩn về kết cấu sẽ hòa nhập với Tiêu chuẩn của Châu Âu Eurocode.
Tiêu chuẩn Châu Âu (Eurocode 3) có chương 1-3 quy định về thiết kế thanh thành mỏng mang tên “EN 1993- 1-3 Design of steel Structures: General rules – Supplementary rules for cold formed thin gauge members anh sheeting”. c) Tiêu chuẩn Trung Quốc: Tiêu chuẩn mới nhất của Trung Quốc “GB 50018-2002 Tiêu chuẩn kỹ thuật để thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội” ban hành năm 2002 thay thế cho tiêu chuẩn cũ 1987. Tiêu chuẩn này phản ánh các nghiên cứu riêng của Trung Quốc không phụ thuộc vào bất cứ tiêu chuẩn nào. d) Tiêu chuẩn Australia/New Zealand Tiêu chuẩn hiện hành là AS/NZS 4006:2018 “Cold – Formed Steel Structures” là tiêu chuẩn chung của 2 nước Australia/New Zealand thay thế cho tiêu chuẩn cũ AS/NZS 4006:2005.
Tiêu chuẩn này kế thừa các nghiên cứu của tiêu chuẩn cũ đồng thời tham khảo thêm tiêu chuẩn Bắc Mỹ AISI 1996. Ứng dụng kết cấu thanh thành mỏng và các quy phạm thiết kế ở Việt Nam 1. Ứng dụng kết cấu thanh thành mỏng ở Việt Nam Hiện nay ở Việt Nam các công trình nhà thép tiền chế rất phổ biến chủ yếu tập trung ở các khu công nghiệp trên khắp cả nước. “Đặc biệt các công trình nhà thép tiền chế ở các nhà máy do các nước Nhật, Đài Loan, Mỹ…đầu 11 tư làm theo công nghệ mới với phương pháp thiết kế và chế tạo có nhiều điểm khác biệt so với kết cấu thép truyền thống” [3, tr.