Đặt vấn đề Kết cấu thép là loại kết cấu được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực như nhà công nghiệp, nhà dân dụng…Trong những năm gần đây ở Việt Nam cùng với sự lớn mạnh của nền kinh tế nói chung và của ngành xây dựng nói riêng, kết cấu thép càng phát triển rộng rãi, đa dạng, phong phú, từ đó cho thấy kiến thức về kết cấu thép là rất cần thiết cho mọi kỹ sư và cán bộ kỹ thuật trong ngành xây dựng. Nhiều năm qua Việt Nam đã đạt được rất nhiều kết quả tích cực trong hội nhập kinh tế quốc tế, việc nghiên cứu và áp dụng nhiều loại tiêu chuẩn,quy phạm thiết kế kết cấu thépnước ngoài là điều tất yếu, trong đó đáng chú ý là các quy chuẩn, tiêu chuẩn được áp dụng như AISC (Hoa Kỳ), BS5950 (Anh), Eurocode (Châu Âu). Việc tìm hiểu kỹ tiêu chuẩn,quy chuẩn, quy phạm của các nước ngoài, qua đó đối chiếu với tiêu chuẩn của Việt Nam là công việc cần thiết trong thời điểm hiện nay. Kết cấu thép là kết cấu thanh mảnh, bề dày của chúng nhỏ so với bề rộng.
Dẫn đến kết cấu thép dễ bị mất ổn định. Mất ổn định trong kết cấu thép là nguyên nhân phá hoại chính. Theo tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 quy định về thiết kế kết cấu thép thì phần quy định về liên quan đến mất ổn định chiếm chủ yếu. Tuy nhiên do nhu cầu phát triển về việc sử dụng kết cấu thép trong ngành xây dựng dân dụng, công nghiệp hiện nay, việc nghiên cứu tìm hiểu về tiêu chuẩn một số nước như AISC (Hoa Kỳ), BS5950 (Anh), Eurocode (Châu Âu) là rất cần thiết.
Trong đó tiêu chuẩn Mỹ AISC quy định rất cụ thể và chi tiết, nên đề tài mong muốn nghiên cứu và so sánh tiêu chuẩn Việt nam và tiêu chuẩn của Mỹ để tìm ra những điểm giống nhau và khác nhau, từ đó có thể rút ra những quy định trong tiêu chuẩn mỹ để bổ sung cho tiêu chuẩn Việt Nam. Lý do chọn đề tài Ngày nay, việc thiết kế kết cấu thép có thể được thực hiện dựa trên nhiều tiêu chuẩn khác nhau, do quá trình toàn cầu hóa nhanh chóng. Người chủ trì thiết kế kết cấu thép có thể sử dụng kết hợp nhiều loại tiêu chuẩn để nghiên cứu thiết kế. Do đó các kỹ sư thiết kế phải áp dụng một tiêu chuẩn cho loại vật liệu nhất định.
Tiêu xvi chuẩn TCVN 5575:2012 và AISC 360-10 nói về việc thiết kế kết cấu thép, nội dung của hai tiêu chuẩn này có nhiều điểm tương đồng và khác biệt trong ứng dụng. Trong luận văn này, bằng việc nghiên cứu lý thuyết ổn định tổng thể dầm thép chữ I và đưa bài toán ví dụ về: “Tính toán ổn định tổng thể dầm thép tiết diện chữ I (đối xứng) giữa TCVN 5575:2012 và tiêu chuẩn AISC 360-10”, qua đó sẽ tìm hiểu thêm về các cách tính toán ổn định dầm thép chữ I, đồng thời có thể bổ sung vào tiêu chuẩn Việt Nam những vấn đề còn thiếu hoặc đề xuất áp dụng tiêu chuẩn AISC 360-10 trong điều kiện của Việt Nam. Những nghiên cứu trước đây Trong luận văn này, được dựa trên các nghiên cứu trong và ngoài nước đồng thời tham khảo các bài báo, tạp chí xây dựng nói về ổn định tổng thể dầm thép tiết diện chữ I và cách tính toán giữa tiêu chuẩn Việt Nam với các tiêu chuẩn nước ngoài. Nghiên cứu trong nước Vũ Quốc Anh [1] và cộng sự đã có nghiên cứu “Tính xoắn dầm thép chữ H bằng biểu đồ theo quy phạm Mỹ AISC”, 2015, cho thấy theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện chưa có chỉ dẫn cụ thể về việc tính toán dầm chịu xoắn, do đó việc áp dụng quy trình tính toán dầm chịu xoắn theo quy phạm AISC là cần thiết và có ý nghĩa thực tế trong công tác thiết kế công trình thép.
Huỳnh Minh Sơn [2] đã có nghiên cứu “So sánh áp dụng tiêu chuẩn AISC/ASD (Mỹ) với tiêu chuẩn TCVN 5575-91 (Việt Nam)để kiểm tra ổn định cục bộ dầm thép bản tổ hợp” và kết luận rằng theo TCVN thì việc tính toán ổn định cục bộ khắc khe hơn khi chỉ cần cánh hay bụng mất ổn định cục bộ là xem như mất bền và theo tiêu chuẩn AISC/ASD chỉ bỏ qua phần bụng oằn, phần còn lại phân phối lại ứng suất và cho phép tăng chiều dày cánh để giảm ứng suất cắt cho bụng mà không cần tăng bề dày bản bụng và bố trí sườn gia cường. Lê Văn Duy [3] “ Tính toán dầm thép tiết diện chữ I chịu xoắn theo tiêu chuẩn AISC” đã kiến nghị ngày nay với nhiều ưu điểm công trình thép ngày càng phát triển ở Việt Nam về ảnh hưởng của xoắn lên cấu kiện thép là không thể tránh khỏi và không thể bỏ qua trong tính toán. Do đó cần sớm đưa bài toán phân tích xvii xoắn vào tiêu chuẩn hoặc chưa có điều kiện thì cần một chỉ dẫn tính toán để thuận lợi cho các kỹ sư thiết kế. Trần Thoại [4] “Tính toán ổn định của dầm thép tiết diện chữ I không đối xứng theo tiêu chuẩn Eurocode 3” đã kiến nghị về tiết diện dầm chữ I không đối xứng khó chế tạo định hình, nhưng khi được nghiên cứu tiết diện hợp lý sẽ thích hợp làm dầm đỡ trong các công trình nhà cao tầng.
Báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công nghệ cấp đại học Đà Nẵng của TS. Trần Quang Hưng[5]“Nghiên cứu ổn định tổng thể của dầm thép có tiết diện thayđổi”. Đề tài đã nghiên cứu tính toán ổn định tổng thể của dầm thép tiết diện chữ I với chiều cao tiết diện thay đổi tuyến tính. Đây là hình thức cấu kiện kháphổ biến trong kết cấu nhà thép công nghiệp và dân dụng.
Việc tính toánthực tế gặp nhiềukhó khăn do chưa có quy định cụ thể về vấn đề này, kể cảtrong tiêu chuẩn tính toán và tài liệu hướng dẫn về kết cấu thép. Đề tài đã trình bày được sơ lược phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng trong trường hợp này, trong đó chú trọng đến dùng phần tử tấm để mô phỏng dầm, đề tài đã xâydựng được các biểu đồ và công thức gần đúng, xác định nhanh mômen giớihạn đàn hồi của dầm tiết diện thay đổi dựa vào dầm tiết diện không đổi cóchiều cao h=hmax. Để xây dựng được dữ liệu đầy đủ hơn thì cần thêm nhiều tính toán khác. Kết quả của đề tài này có thể hoàn thiện thêm để làm tài liệu chỉ dẫn thiết kế kết cấu thép nhà dân dụng và công nghiệp.
Nghiên cứu nước ngoài H. Ronagh[9] đã phát triển mô hình gần đúng dùng phươngpháp phần tử hữuhạn để giải bài toán ổn định của dầm tiết diện chữ I có chiềucao thay đổi, trong đó có xét đến lực nén và ảnh hưởng của tỉ sốdiện tích cánh và bụng dầm. Tác giả dùng phần tử thanh thuần túynên đơn giản được bài toán nhưng chưa xét đến hết các vấn đề khácliên quan đến cấu tạo tiết diện, vị trí tải trọng. AbdelrahmaneBekaddour Benyamina [10] đã tìm lời giải giải tíchvà phương pháp số mô hình một cách khá toàn diện, nghiên cứunày chỉ áp dụng cho dầm đơn giản chịu tải phân bố.
Liliana Marques [11] đã tổng hợp các nghiên cứu và khảo sát số đểđề xuất một số vấn đề khi thiết kế dầm chữ I có tiết diện thay đổi. Andrade [12] đã khảo sát dầm tiết diện thay đổi trong đó bụngdầm được bố trí các điểm cố kết ngoài mặt phẳng để chống lật. Tácgiả đã mô hình các thanh cố kết bằng các liên kết tương đương. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu về lý thuyết mất ổn định của dầm thép, tập trung nghiên cứu mất ổn định tổng thế của dầm thép tiết diện chữ I (đối xứng).
- So sánh các quy định về ổn định tổng thể của dầm thép giữa hai tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 và tiêu chuẩn AISC 360-10. - Từ các ví dụ về thiết kế mất ổn định dầm thép tiết diện chữ I (đối xứng) sẽ rút ra các kết luận để có thể áp dụng vào thực tế tại Việt Nam.Phạm vi nghiên cứu Dotiết diện chữ I (đối xứng) thường dùng phổ biến nhất trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp. Nên trong luận văn này tập trung nghiên cứu mất ổn định tổng thể của dầm thép tiết diện chữ I (đối xứng) sử dụng trong công trình nhà công nghiệp như kho, xưởng. Nghiên cứu tính toán và so sánh mất ổn định tổng thể (Lateral – Torsional Buckling) của dầm thép tiết diện chữ I (đối xứng) theo hai tiêu chuẩn là TCVN 5575:2012(Việt Nam) và ANSI/AISC 360-10 (Mỹ).
Tiêu chuẩn AISC 360-10 (Mỹ) có hai phương pháp tính toán: phương pháp ứng suất cho phép (Allowable Strength Design, ASD) vàphương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và bền(Load and ResistanceFactor Design, LRFD). Cả hai phương phương pháp này được sử dụng như nhau, tùy theo sự lựa chọn của người thiết kế. Tuy nhiên hiện nay phương pháp phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và bền(Load and Resistance Factor Design, LRFD) được sử dụng phổ biến rộng rãi. Nên đề tài chọn phương pháp thiết kế LRFDđể tính toán và so sánh.
Phương pháp nghiên cứu Trong quá trình nghiên cứu đề tài tác giả đã thu thập, tìm hiểu các tài liệu đã nghiên cứu trong và ngoài nướctrước đây.Lý thuyết về mất ổn định tổng thể (Lateral – Torsional Buckling) của dầm tiết diện chữ I, tiêu chuẩn TCVN 5575:2012, tiêu chuẩn ANSI/AISC 360-10 “Specification for Structural Steel xix Buildings”và các giáo trình về lý thuyết mất ổn định cùng với các bài báo nghiên cứu về thép, từ đó để vận dụng cho việc nghiên cứu đề tài. Nội dung luận văn Luận văn có phần mở đầu và bốn chương gồm: Phần mở đầu: Sự cần thiết của việc nghiên cứu, tổng quan về các vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước, mục tiêu, phạmvi và phương pháp nghiên cứu. Chương 1 nghiên cứu lý thuyết tổng quan về ổn định tổng thể kết cấu nhằm có cơ sở để nghiên cứu tiêu chuẩn của các nước. Chương 2 nghiên cứu các quy định về tính toán mất ổn định tổng thể của dầm thép tiết diện chữ I (đối xứng) giữa hai tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 “Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế”và tiêu chuẩn AISC 360-10 “Specification for Structural Steel Buildings”.
Các ví dụ tính toán giữa hai tiêu chuẩn sẽ được trình bày trong Chương 3. Từ đó để có cơ sở rút ra những kết luận và kiến nghị ở Chương 4. 1 CHƯƠNG I LÝ THUYẾTỔN ĐỊNH KẾT CẤU THÉP 1.1Khái quát về ổn định Ổn định là một khái niệm có liên quan đến nhiều lĩnh vực trong cuộc sống, trong kỹ thuật nói chung, trong công trình và toán học. Trong một lĩnh vực có một định nghĩa riêng tương ứng phù hợp với đối tượng nghiên cứu.