ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Giới thiệu Các dầm thép chữ I thẳng có bản bụng lượn sóng hình thang (xem hình 1.2) đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều kết cấu khác nhau, đặc biệt là các công trình cầu nước ngoài và các công trình kết cấu thép nhà dân dụng từ đầu những năm 1960 tại châu Âu, Abbas HH [3], trong tương lai chắc chắn chúng sẽ được du nhập vào Việt Nam. Mặc dù có nhiều dạng lượn sóng của bản bụng khác nhau, chẳng hạn có dạng lượn sóng hình sin, nhưng dạng lượn sóng hình thang đang được sử dụng phổ biến nhất. Sở dĩ các dầm chữ I có bản bụng lượn sóng hình thang này được ưu tiên trong ứng dụng là vì chúng có nhiều ưu điểm: bản bụng lượn sóng của chúng sẽ thay thế cho tác dụng tổng hợp của bản bụng phẳng (flat web) của dầm chữ I thông thường và các tấm thép gia cường (stiffened steel plates), kết quả làm cho dầm chữ I có bản bụng lượn sóng hình thang cứng hơn khi uốn ngoài mặt phẳng, chịu xoắn tốt hơn (Momen tới hạn đàn hồi Mcr khi chịu momen tập trung ở hai đầu dầm của dầm chữ I có bản bụng lượn sóng hình thang lớn hơn 21% đến 29% so với dầm chữ I bản bụng phẳng thông thường, N. Nguyen et al.
[4]); giảm giá thành chế tạo dầm do giảm trọng lượng thép (với cùng một khả năng chịu tải trọng tĩnh như nhau, trọng lượng của dầm chữ I có bản bụng lượn sóng nhỏ hơn 10,6% so với dầm chữ I thông thường, Chan CL, Khalid YA, Sahari BB, Hamouda AMS. [5]); và tăng tính thẩm mỹ của kết cấu, N. Nguyen et al. Ngoài ra, nhờ có bản bụng lượn sóng mà các dầm chữ I này cải thiện được đặc tính ổn định cắt (shear stability) và chống lại hiện tượng mỏi khi chịu tải trọng lặp tốt hơn so với dầm chữ I bản bụng phẳng thông thường, Abbas HH [3].
Mặc dù có nhiều ưu điểm và cũng đã được ứng dụng thực tế nhưng hầu hết các tính toán đều dựa vào các công thức của dầm I có bản bụng phẳng do thiếu các thông tin về ứng xử phức tạp của nó. Vì thế các ưu điểm được trình bày ở trên của 2 dầm I có bản bụng lượn sóng hình thang vẫn chưa được tận dụng một cách triệt để. Do đó việc tiếp tục nghiên cứu về ứng xử của dầm I có bản bụng lượn sóng hình thang là hết sức cần thiết. Bản cánh trên Bản bụng lượn sóng Bản cánh dưới Hình 1.1: Mô hình dầm I bản bụng lượn sóng hình thang bf L0 d hw 2 x d max z O d hw 2 tw tf a b x y' a - Kích thước mặt cắt ngang b - Mặt cắt dọc một bước lượn sóng Hình 1.2: a-Kích thước mặt cắt ngang và b-Mặt cắt dọc một bước lượn sóng của dầm I bản bụng lượn sóng hình thang 3 Hình 1.3: Dầm cầu bằng thép I bản bụng lượn sóng hình thang có tiết diện thay đổi Hình 1.4: Hệ khung kèo - thanh giằng trong nhà xưởng sử dụng thép I bản bụng lượn sóng hình thang 1.2 Những nghiên cứu trước đây Hiện nay, chưa có công trình khoa học nào nghiên cứu về ứng xử động lực học của dầm chữ I bản bụng lượn sóng hình thang.
Tất cả các nghiên cứu trước đây đều tập trung vào việc phân tích ứng xử tĩnh học của dầm chữ I này. Vì vậy ở đây tác giả cũng xin giới thiệu một vài nghiên cứu về ứng xử tĩnh học của dầm chữ I thẳng có bản bụng lượn sóng hình thang như sau. 4 Abbas et al. [6,7] đã có hai công trình nghiên cứu về ứng xử uốn trong mặt phẳng của bản bụng và ứng xử uốn ngang ra ngoài mặt phẳng của bản cánh của dầm chữ I thẳng có bản bụng lượn sóng hình thang dưới tác dụng của tải trọng trong mặt phẳng.
Abbas và các cộng sự đã cho rằng, ứng xử uốn của dầm chữ I có bản bụng lượn sóng hình thang không thể được giải quyết rõ ràng nếu chỉ sử dụng lý thuyết dầm cổ điển. Dưới tác dụng của tải trọng trong mặt phẳng, luôn luôn xuất hiện momen xoắn, dầm chữ I này sẽ bị võng trong mặt phẳng đồng thời với việc xoắn ngoài mặt phẳng. Ứng xử uốn trong mặt phẳng được giải quyết dựa vào lý thuyết dầm cổ điển còn ứng xử xoắn ngoài mặt phẳng được phân tích như uốn ngang ra ngoài mặt phẳng của bản cánh. Jongwon Yi, Heungbae Gil, Kwangsoo Youm, Hakeun Lee [8] đã nghiên cứu về ứng xử mất ổn định cắt dạng tương tác (Interactive shear buckling behavior) của những bản bụng thép lượn sóng hình thang.
Nghiên cứu cho thấy rằng dưới tác dụng của ứng suất cắt, các bản bụng thép lượn sóng hình thang sẽ có 3 dạng mất ổn định cắt khác nhau tùy thuộc vào đặc trưng hình học mặt cắt ngang, đó là: mất ổn định cục bộ (local shear buckling), mất ổn định tổng thể (global shear buckling) và mất ổn định dạng tương tác (interactive shear buckling). Mất ổn định cục bộ chỉ xảy ra trong phạm vi một bước lượn sóng hình thang (single panel), mất ổn định tổng thể xảy ra trên nhiều bước lượn sóng (multiple panel) và mất ổn định dạng tương tác xảy ra trong phạm vi một vài bước lượn sóng (several panel). Mất ổn định dạng tương tác ứng xử phức tạp nhất và là dạng trung gian của mất ổn định cục bộ và tổng thể. Bài báo đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số mặt cắt ngang lên cường độ mất ổn định dạng tương tác và đề xuất công thức tính cường độ mất ổn định cắt dạng tương tác.
Lindner [9], Sayed-Ahmed [10], Moon et al. [11], đã nghiên cứu về cường độ mất ổn định xoắn ngang đàn hồi Mcr của dầm chữ I thẳng có bản bụng lượn sóng hình thang. Cả ba nghiên cứu đều xuất phát từ việc xác định hằng số warping (warping constant) Cw,C. Lindner [9] xác định Cw,C chủ yếu dựa vào các công thức 5 thực nghiệm.
Sayed-Ahmed [10] xác định Cw,C bằng cách thay bản bụng lượn sóng hình thang thành bản bụng phẳng có chiều dày tương đương, rồi sử dụng các công thức như của dầm chữ I bản bụng phẳng, nhưng ở đây công thức xác định chiều dày bản bụng tương đương lại không có cơ sở lý thuyết cụ thể. Moon et al. [11] sử dụng phương pháp lực khảo sát sự ảnh hưởng của bản bụng với bản cánh, đề nghị vị trí của tâm cắt, từ đó tính toán hằng số warping Cw,C. Sau khi tìm được Cw,C, cả ba nghiên cứu đều sử dụng chung một công thức để tính Mcr.
Nhược điểm của cả ba nghiên cứu là chưa giải quyết được triệt để đặc trưng hình học của mặt cắt ngang nên chưa thể đưa đến một kết quả đủ chính xác về Cw,C, dẫn đến chưa chính xác về Mcr. Điều này chỉ được giải quyết triệt để dựa vào nghiên cứu của N. Nguyen et al. Nguyen et al.
[4] đã nghiên cứu về đặc trưng hình học mặt cắt ngang của dầm chữ I thẳng có bản bụng lượn sóng hình thang và tính toán cường độ mất ổn định xoắn ngang đàn hồi Mcr. Bài báo đã sử dụng các phương trình giải tích để tìm tọa độ trọng tâm, momen quán tính Ix và Iy theo hai phương x, y, momen quán tính li tâm Ixy, tọa độ tâm cắt S (shear center), từ đó tìm được hằng số warping (warping constant) Cw,C và cuối cùng xác định cường độ mất ổn định xoắn ngang đàn hồi Mcr dưới tác dụng của momen tập trung hai đầu dầm. Tiến hành so sánh kết quả Mcr tìm được bằng giải tích ở trên với kết quả của phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và các nghiên cứu của các tác giả trước đó (Lindner [9], Sayed-Ahmed [10], Moon et al. [11]) về Mcr của dầm chữ I có bản bụng lượn sóng hình thang và cả Mcr của dầm chữ I có bản bụng phẳng.
Sau đó kết luận nghiên cứu của bài báo là hợp lý nhất, gần với kết quả của FEM và lớn hơn Mcr của dầm chữ I có bản bụng phẳng từ 21% đến 29%. Ưu điểm rất lớn của nghiên cứu này là lần đầu tiên tìm ra được các công thức tổng quát cho đặc trưng hình học mặt cắt ngang của dầm chữ I thẳng có bản bụng lượn sóng hình thang, từ đó tìm được hằng số warping Cw,C và cường độ Mcr có độ chính xác cao hơn các nghiên cứu trước đó. Giới hạn của bài báo ở chỗ chỉ xét tải trọng là momen tập trung ở hai đầu dầm (chưa xét các trường hợp tải phức tạp), liên kết chỉ là gối tựa đơn hai đầu dầm và cũng chỉ mới tính Mcr trong vùng đàn 6 hồi mà chưa xét đến yếu tố phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học. Bài báo cũng không đề cập tới yếu tố chuyển vị lớn (large displacement) ảnh hưởng lên ứng xử của kết cấu như thế nào.
Nguyen et al. [12] đã nghiên cứu hệ số hiệu chỉnh momen tác động lên cường độ mất ổn định xoắn ngang Mcr. Bài báo tập trung khảo sát ảnh hưởng của sự thay đổi vị trí tải trọng tập trung tác dụng tại tâm bản cánh trên, tâm cắt và tại tâm bản cánh dưới với các điều kiện liên kết thay đổi từ gối tựa đơn (simply supported), ràng buộc warping (warping fixed), ràng buộc uốn ngang (lateral bending fixed) và ngàm hoàn toàn (completely fixed). (khác với nghiên cứu N.
Nguyen et al. Nguyen et al. [13] đã nghiên cứu hệ số hiệu chỉnh momen tác động lên cường độ mất ổn định xoắn ngang Mcr. Bài báo như sự nối tiếp của nghiên cứu N.
Nguyen et al. [12] chỉ thay đổi ở chỗ khảo sát trường hợp tải trọng, tải trọng nghiên cứu trong bài báo này là momen tập trung tác dụng vào hai đầu dầm không bằng nhau. Braxtan [14] tập trung nghiên cứu về cường độ chịu cắt của chỉ phần bản bụng của dầm I bản bụng lượn sóng hình thang. Bài báo phát triển một công thức mới về cường độ chịu cắt của bản bụng lượn sóng rồi đem so sánh với các kết quả của các tác giả trước đó.
Qua một quá trình kiểm tra chặt chẽ đã kiểm tra được tính đúng đắn của công thức mới thành lập.3 Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn Tần số dao động tự nhiên là một trong những thông tin cần thiết khi phân tích động lực học kết cấu. Nhược điểm chính của các công trình cầu bằng thép có sử dụng các dầm thép chữ I bản bụng phẳng thông thường và cả dầm I bản bụng lượn sóng hình thang là sự xuất hiện của những dao động do xe cộ và tàu lửa gây ra.