Tài liệu Tính toán khung thép sử dụng cấu kiện thành mỏng theo tiêu chuẩn eurocode 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC XÂY DỰNG -----
----- LÊ TIẾN HÙNG TÍNH TOÁN KHUNG THÉP SỬ DỤNG CẤU KIỆN THÀNH MỎNG THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE 3 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC XÂY DỰNG -----
----- LÊ TIẾN HÙNG TÍNH TOÁN KHUNG THÉP SỬ DỤNG CẤU KIỆN THÀNH MỎNG THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE 3 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ: 60.58.20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS. BÙI HÙNG CƯỜNG HÀ NỘI - 2010 1 LỜI MỞ ðẦU Trong những năm gần ñây, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, các công trình kết cấu thép nhẹ sử dụng cấu kiện thanh thành mỏng ñược xây dựng ngày càng nhiều do ưu ñiểm vượt trội của nó về thẩm mỹ, khả năng chịu lực với sự tiết kiệm vật liệu, trọng lượng nhẹ…Thanh thành mỏng với tiết diện ngang bé, ñộ mảnh lớn, khả năng chống xoắn yếu… ñiều kiện ổn ñịnh có ý nghĩa ñặc biệt quan trọng, ñòi hỏi phải ñược nghiên cứu ñầy ñủ cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm. Có thể nói kết cấu thanh thành mỏng chính là một hướng phát triển của kết cấu thép nước ta trong những năm tiếp theo. Hiện tại, trên thế giới ñã có nhiều quốc gia ñưa ra các tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế kết cấu thanh thành mỏng như Úc, Mỹ, Anh, Châu Âu … Tại Việt Nam, hiện nay vẫn chưa có tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế loại cấu kiện này. ðồng thời, việc tính toán thiết kế kết cấu thanh thành mỏng còn rất xa lạ với kỹ sư Việt Nam. Với ñề tài “Tính toán khung thép sử dụng cấu kiện thành mỏng theo tiêu chuẩn Eurocode 3”, luận văn này là những nghiên cứu bước ñầu của em về loại kết cấu này. ðó là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu trong khóa ñào tạo Thạc sỹ tại trường ðại học Xây dựng với sự hướng dẫn tận tình của các giảng viên trong trường và các bạn ñồng nghiệp. Em xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới giảng viên TS. Bùi Hùng Cường ñã tận tình hướng dẫn và giúp ñỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn. Do thời gian thực hiện có hạn, vấn ñề nghiên cứu khá rộng và những hạn chế của bản thân, bản luận văn chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận ñược sự ñóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn ñồng nghiệp Học viên Lê Tiến Hùng 2 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TRONG LUẬN VĂN………………………4 DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ðỒ THỊ……………………………5 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ THANH THÀNH MỎNG……………… 8 1.1. MỞ ðẦU……………………………………………………………….8 1.2. KHÁI NIỆM VỀ THANH THÀNH MỎNG…………………………..8 1.3. CÁC VẤN ðỀ LIÊN QUAN ðẾN KẾT CẤU THÀNH MỎNG…….11 1.3.1. Vật liệu………………………………………………………….11 1.3.2. Vấn ñề phòng gỉ………………………………………………...15 1.3.3. Công nghệ chế tạo thanh thành mỏng…………………………..18 1.3.4. Các dạng cấu kiện tạo hình nguội………………………………19 1.3.5. Một số ñặc ñiểm ñặc biệt của thanh thành mỏng……………….22 1.3.6. Ưu, khuyết ñiểm của kết cấu thanh thành mỏng………………..22 1.3.7. Phạm vi ứng dụng của kết cấu thanh thành mỏng………………23 1.4. ỨNG DỤNG KẾT CẤU THANH THÀNH MỎNG VÀ CÁC QUY PHẠM THIẾT KẾ TRÊN THẾ GIỚI…………………………………24 1.5. ỨNG DỤNG KẾT CẤU THANH THÀNH MỎNG VÀ CÁC QUY PHẠM THIẾT KẾ Ở VIỆT NAM……………………………………..26 1.6. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ VIỆC ỨNG DỤNG KẾT CẤU THANH THÀNH MỎNG………………………………………………………..26 1.7. MỤC TIÊU, PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ðỀ TÀI………………...29 1.7.1. Mục tiêu nghiên cứu của ñề tài…………………………………..29 1.7.2. Phạm vi nghiên cứu của ñề tài…………………………………...29 CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KHUNG THÉP SỬ DỤNG CẤU KIỆN THÀNH MỎNG THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE……………..30 2.1. ðẠI CƯƠNG……………………………………………………………30 2.1.1. Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn……………………..30 2.1.2. Một số ñịnh nghĩa khi tính toán cấu kiện thành mỏng……………..32 2.2. CÁC DẠNG MẤT ỔN ðỊNH CỦA KẾT CẤU THANH THÀNH MỎNG 3 2.2.1. Các dạng mất ổn ñịnh……………………………………………...33 2.2.2. Mất ổn ñịnh cục bộ, bề rộng hiệu quả……………………………..34 2.2.3. Mất ổn ñịnh vênh một phần tiết diện………………………………35 2.2.4. Mất ổn ñịnh tổng thể……………………………………………….41 2.2.5. Kiểm tra cột chịu nén – uốn ñồng thời…………………………….42 2.2.6. Kiểm tra dầm chịu uốn - nén………………………………………46 CHƯƠNG III: VÍ DỤ THIẾT KẾ KHUNG THÉP SỬ DỤNG CẤU KIỆN THÀNH MỎNG………………………………………………………………47 3.1. THÔNG SỐ CÔNG TRÌNH……………………………………………48 3.2. SỐ LIỆU ðẦU VÀO SỬ DỤNG TÍNH TOÁN………………………..48 3.2.1. Vật liệu…………………………………………………………….48 3.2.2. Tải trọng tính toán………………………………………………....48 3.3. TỔ HỢP TẢI TRỌNG…………………………………………………..49 3.4. KẾT QUẢ NỘI LỰC…………………………………………………....50 3.5. THIẾT KẾ CỘT…………………………………………………………50 3.5.1. Xác ñịnh các ñặc trưng hình học của tiết diện……………………..51 3.5.2. Xác ñịnh tiết diện hiệu quả và ứng suất tới hạn gây mất ổn ñịnh vênh 1 phần tiết diện…..…………………………………………...52 3.5.3. Kiểm tra ñiều kiện cột chịu nén – uốn……………………………..61 3.5.4. Kiểm tra chuyển vị ngang tại cao trình ñỉnh cột…………………...69 3.6. THIẾT KẾ DẦM………………………………………………………..70 3.6.1. Xác ñịnh các ñặc trưng hình học của tiết diện……………………..70 3.6.2. Xác ñịnh tiết diện hiệu quả và ứng suất tới hạn gây mất ổn ñịnh vênh 1 phần tiết diện……………………………………………….71 3.6.3. Kiểm tra ñiều kiện dầm chịu nén – uốn……………………………81 3.6.4. Kiểm tra ñiều kiện bền chịu cắt cắt của dầm………………………84 3.6.5. Kiểm tra ñiều kiện ñộ võng………………………………………..85 3.7. SO SÁNH VỚI TIẾT DIỆN THIẾT KẾ THEO TCXDVN 338 : 2005...85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………...86 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TRONG LUẬN VĂN b, h, L Kích thước hình học của cấu kiện beff Bề rộng hiệu quả Cw Hằng số vênh của tiết diện D ðộ cứng trụ E Mô ñun ñàn hồi của vật liệu f Ứng suất fy Giới hạn chảy của vật liệu I Mô men quán tính i Bán kính quán tính J Mô men quán tính xoắn K ðộ cứng của gối ñàn hồi kσ Hệ số oằn của tấm Ncr Lực tới hạn NcrF Lực tới hạn trường hợp nén dọc trục NcrFT Lực tới hạn trường hợp xoắn, uốn xoắn t Bề dày cấu kiện teff Bề dày hiệu quả của tấm α Hệ số không hoàn thiện σc,r Ứng suất tới hạn quy ñổi σcr Ứng suất tới hạn χ Hệ số giảm yếu do mất ổn ñịnh γ0, γ1 Hệ số an toàn λ ðộ mảnh tỷ ñối của thanh µ Hệ số Poisson ψ Hệ số tỷ lệ ứng suất 5 DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ðỒ THỊ Trang Bảng 1.1 Phân loại thanh theo tiêu chuẩn Eurocode 3 9 Bảng 1.2 Phân loại thanh theo tiêu chuẩn Eurocode 3 10 Bảng 1.3 Thép dùng làm kết cấu tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Úc 11 Bảng 1.4 Thép dùng làm kết cấu tạo hình nguội theo tiêu chuẩn 13 Châu Âu Xác ñịnh bề rộng hiệu quả theo tiêu chuẩn Eurocode 3 36 Bảng 2.1b Xác ñịnh bề rộng hiệu quả theo tiêu chuẩn Eurocode 3 37 Bảng 2.1a Bảng 2.2 Hệ số không hoàn toàn α 43 Bảng 2.3 Dạng ñường cong mất ổn ñịnh tương ứng với các loại tiết 44 diện Bảng 2.4 Các trục liên quan ñể xác ñịnh hệ số βM 45 Bảng 3.1 Tải trọng gió phương ngang nhà 49 Bảng 3.2 Tải trọng gió phương daọc nhà 49 Bảng 3.3 Bảng tổ hợp tải trọng 50 Bảng 3.4 Các trường hợp nội lực tính toán cột 62 Bảng 3.5 Kết quả tính toán cột 69 Bảng 3.6 Kết quả tính toán dầm 84 Bảng 3.7 Bảng so sánh tiết diện tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 338:2005 và tiêu chuẩn Eurocode 3 86 Hình 1.1 Tiết diện ñơn hở 20 Hình 1.2 Tiết diện ghép hở 20 Hình 1.3 Tiết diện ghép kín 20 Hình 1.4 Tiết diện dùng cho các cấu kiện chịu nén, kéo 21 Hình 1.5 Tiết diện dầm và một số cấu kiện chịu uốn khác 21 Hình 1.6 Các loại tấm mỏng uốn nguội thông dụng làm sàn, mái và 21 tường 6 Hình 1.7 Nhà dân dụng (dự án Mountain House) 27 Hình 1.8 Nhà dân dụng (khu dân cư bất ñộng sản Petrolia) 27 Hình 1.9 Nhà công nghiệp (Tòa nhà bảo hiểm xây dựng Chatham, 28 Ontario) Hình 1.10 Nhà cao tầng (Nhà nghỉ Niagara, Ontario) 28 Hình 2.1 Tiết diện hiệu quả theo tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 3 34 Hình 2.2 ðặc trưng hình học của tiết diện hiệu quả của phần biên 38 Hình 2.3 Sơ ñồ tính tiết diện phần cánh 39 Hình 2.4 Tiết diện hiệu quả của phần cánh. 39 Hình 2.5 Mô hình xác ñịnh ñộ cứng lò xo và ứng suất tới hạn σcr,s 40 Hình 2.6 Biểu ñồ ứng suất tới hạn quy ñổi (1) 40 Hình 2.7 Biểu ñồ ứng suất tới hạn quy ñổi (vòng lặp thứ n) 41 Hình 2.8 Tiết diện hiệu quả của phần cánh xác ñịnh ở vòng lặp cuối 41 Hình 2.9 Tính toán các ñặc trưng của tiết diện hiệu quả 44 Hình 3.1 Sơ ñồ thiết kế khung thép 47 Hình 3.2 Sơ ñồ tải trọng gió 49 Hình 3.3 Tiết diện cột 51 Hình 3.4 Tiết diện tính toán cột 51 Hình 3.5 Sơ ñồ tính phần cánh 52 Hình 3.6 Xác ñịnh tiết diện hiệu quả 53 Hình 3.7 Tiết diện hiệu quả của phần biên 54 Hình 3.8 Ứng suất gây mất ổn ñịnh vênh một phần tiết diện 54 Hình 3.9 Ứng suất tới hạn quy ñổi 55 Hình 3.10 Tiết diện tính toán vòng lặp 1 56 Hình 3.11 Tiết diện hiệu quả của phần biên (vòng lặp 1) 57 Hình 3.12 Tiết diện tính toán vòng lặp 2 59 Hình 3.13 Tiết diện hiệu quả của phần biên (vòng lặp 2) 59 Hình 3.14 Biểu ñồ phân bố ứng suất trên bản bụng khi chịu nén 60 Hình 3.15 Tiết diện hiệu quả của cột chịu nén 61 7 Hình 3.16 Biểu ñồ phân bố ứng suất trên bản bụng khi chịu uốn 62 quanh trục y-y Hình 3.17 Tiết diện hiệu quả cột chịu uốn quanh trục y-y 63 Hình 3.18 Tiết diện tính toán cột chịu uốn quanh trục z-z 64 Hình 3.19 Biểu ñồ phân bố ứng suất trên cánh tiết diện chịu uốn 65 quanh trục z-z Hình 3.20 Tiết diện hiệu quả cột chịu uốn quanh trục z-z 66 Hình 3.21 Tiết diện dầm 70 Hình 3.22 Tiết diện tính toán dầm 71 Hình 3.23 Sơ ñồ tính phần cánh 72 Hình 3.24 Xác ñịnh tiết diện hiệu quả 73 Hình 3.25 Tiết diện hiệu quả của phần biên 73 Hình 3.26 Ứng suất gây mất ổn ñịnh vênh một phần tiết diện 74 Hình 3.27 Ứng suất tới hạn quy ñổi 75 Hình 3.28 Tiết diện hiệu quả của phần biên (vòng lặp 1) 76 Hình 3.29 Tiết diện tính toán vòng lặp 2 78 Hình 3.30 Tiết diện hiệu quả của phần biên (vòng lặp 2) 78 Hình 3.31 Tiết diện hiệu quả của dầm chịu nén 80 Hình 3.32 Tiết diện hiệu quả của dầm chịu uốn quanh trục y-y 83 Hình 3.33 Sơ ñồ tính toán không gian 85 Hình 3.34 Tiết diện cột (a), dầm (b) theo TCVN 338 :2005 86 8 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÀNH MỎNG 1.1. MỞ ðẦU Kết cấu thanh thành mỏng khác biệt so với kết cấu thông dụng ở những ñiểm sau: - Sử dụng các loại thanh thép tạo hình nguội từ các tấm thép rất mỏng (từ 0,3 ñến 4 mm). - Sử dụng các loại tiết diện không có trong kết cấu thông thường như tiết diện chữ Z, tiết diện chữ C, tiết diện kín (tiết diện vuông, tròn,…). - Sử dụng các liên kết không dùng trong kết cấu thường. Việc sử dụng thanh thành mỏng tạo ra một cách tiếp cận khác của kết cấu thép trong mọi giai ñoạn xây dựng. Thiết kế, chế tạo, lắp dựng. Chương I ñược trình bày chủ yếu dựa trên tài liệu của giáo sư ðoàn ðịnh Kiến [9] và một số tài liệu liên quan. Nội dung của chương này chủ yếu ñề cập ñến những vấn ñề cơ bản liên quan ñến kết cấu thanh thành mỏng như vật liệu, chế tạo, lắp dựng, ưu nhược ñiểm, phạm vi áp dụng, tình hình sử dụng, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thành mỏng ở trên thế giới và ở Việt Nam, từ ñó ñề ra mục tiêu nghiên cứu của ñề tài. 1.2. KHÁI NIỆM VỀ THANH THÀNH MỎNG Theo Vlasov [11], thanh thành mỏng là thanh thẳng với kích thước theo ba chiều có bậc khác nhau. Nếu gọi l là chiều dài thanh, h là kích thước theo một cạnh nào ñó của tiết diện, t là bề dày của thanh thì thanh ñược xem là thanh thành mỏng khi có các tỷ số như sau: t/h ≤ 0,1; h/l ≤ 0,1. Tiết diện thanh thành mỏng có thể kín hoặc hở. Khái niệm thanh thành mỏng của Vlasov dựa trên việc phân tích ứng suất trong thanh có kể ñến xoắn kiềm chế hay không kể ñến xoắn kiềm chế. Theo tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 3 [4] cũng ñưa ra khái niệm thanh thành mỏng thông qua việc phân loại tiết diện thanh. Việc phân loại ñó dựa trên cơ sở ñộ ổn ñịnh cục bộ, hình dạng tiết diện thanh, trạng thái chịu lực của thanh và tỉ số giữa 9 các kích thước của tiết diện. Theo ñó, người ta chia thành 4 loại tiết diện thanh: tiết diện ñặc, tiết diện nửa ñặc, tiết diện mảnh và tiết diện rất mảnh (tiết diện thành mỏng). - Thanh có tiết diện ñặc là thanh có khả năng hình thành khớp dẻo, trong ñó khớp dẻo có thể quay tự do. - Thanh có tiết diện nửa ñặc: là thanh có khả năng hình thành khớp dẻo, nhưng góc quay của khớp dẻo bị giới hạn do bị phá hoại vì sự mất ổn ñịnh cục bộ. - Thanh có tiết diện mảnh: là thanh ngay khi vật liệu bắt ñầu bị chảy dẻo, thanh bị phá hoại do sự mất ổn ñịnh cục bộ. - Thanh có tiết diện rất mảnh (thanh thành mỏng): là thanh bị phá hoại do sự mất ổn ñịnh cục bộ trước khi hình thành khớp dẻo. Bảng sau trích ra từ bảng 5-2 tiêu chuản Eurocode 3 [4] giới thiệu một số loại thanh thông dụng theo tiêu chuẩn Eurocode 3. Cấu kiện Loại thanh chịu uốn Biểu ñồ ứng suất (Quy ước ứng suất nén là dương) Cấu kiện Cấu kiện vừa chịu uốn vừa chịu nén chịu nén 10 c 396ε t 13α − 1 c 36ε α ≤ 0,5 : ≤ t α α > 0,5 : ≤ Thanh ñặc c ≤ 72ε t c ≤ 33ε t c 456ε t 13α − 1 c 41,5ε α ≤ 0,5 : ≤ t α α > 0,5 : ≤ Thanh nửa ñặc c ≤ 83ε t c ≤ 38ε t Biểu ñồ ứng suất (Quy ước ứng suất nén là dương) c 42ε t 0,67 + 0,33ψ c ψ ≤ −1 : ≤ 62ε (1 − ψ ) (−ψ ) t ψ > −1 : ≤ c ≤ 124ε t Thanh mảnh ε = 235 / f y c ≤ 42ε t fy 235 275 355 420 460 ε 1,00 0,92 0,81 0,75 0,71 fy: Giới hạn chảy của vật liệu thanh (N/mm2) 235: Giới hạn chảy của thép S235 (N/mm2) Bảng 1.1. Phân loại thanh theo tiêu chuẩn Eurocode 3. Tiết diện cán Tiết diện tổ hợp Cấu kiện chịu nén Cấu kiện vừa chịu uốn vừa chịu nén Biểu ñồ ứng suất (Quy ước ứng suất nén là dương) 11 1 c ≤ 9ε t c 9ε ≤ t α 9ε c ≤ t α α 2 c ≤ 10ε t c 10ε ≤ t α c 10ε ≤ t α α Biểu ñồ ứng suất (Quy ước ứng suất nén là dương) c / t ≤ 21ε kσ c ≤ 14ε t 3 kσ: Hệ số uốn dọc tương ứng với tỷ lệ ứng suất ψ ε = 235 / f y fy 235 275 355 420 460 ε 1,00 0,92 0,81 0,75 0,71 fy: Giới hạn chảy của vật liệu thanh (N/mm2) 235: Giới hạn chảy của thép S235 (N/mm2) Bảng 1.2. Phân loại thanh theo tiêu chuẩn Eurocode 3. 1.3. CÁC VẤN ðỀ LIÊN QUAN ðẾN KẾT CẤU THANH THÀNH MỎNG 1.3.1. Vật liệu a. Thép Thép dùng ñể chế tạo thanh thành mỏng có thể là loại thép cacbon thấp thông thường tương ứng với CT3(Nga), CT38, CT42 (Việt Nam) có giới hạn chảy 2200 ñến 2600 daN/cm2. Cũng có thể dùng thép hợp kim thấp như 09Mn2, 14Mn có giới hạn chảy 3400 ñến 3900 daN/cm2. Các thép này có ñộ dãn dài 2226% có thể dùng ñược thử nghiệm uốn gập nguội. Tuy nhiên, thép dạng cuộn ñể chế tạo kết cấu thành mỏng ở Việt Nam chưa sản xuất ñược nên phải nhập ngoại hoàn toàn và mang só hiệu thép của nước sản xuất. Thông dụng nhất là loại thép cacbon ASTM A 570 cấp 50 hoặc thép hợp kim thấp A607 hayA792, ñều có giới hạn chảy 3450 daN/cm2 . 12 Tên tiêu chuẩn AS1163 AS1397 AS/NZS 3678 Cấp thép Giới hạn chảy (fy) (N/mm2) Giới hạn chảy (fy) (N/mm2) C250 250 320 C350 350 430 C450 450 500 G250 250 320 G300 300 340 G350 350 430 G450 450 480 G500 500 520 G550 550 550 200 (t ≤ 8 mm) 200 300 250 (t ≤ 8 mm) 250 410 300 (t ≤ 8 mm) 300 430 350 (t ≤ 8 mm) 350 450 400 (t ≤ 8 mm) 400 480 Bảng 1.3. Thép dùng làm kết cấu tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Úc Ba loại thép của bảng G450, G500, G550 (con số chỉ giới hạn chảy của thép N/mm2 ) là loại ñặc biệt có cường ñộ cao. G450 dùng cho cấu kiện có bề dày ≥ 1,5 mm. G500 dùng cho cấu kiện có bề dày >1 mm nhưng < 1,5 mm còn G550 dùng cho cấu kiện có bề dày ≤ 1 mm. Dùng thép có cường ñộ cao không phải lúc nào cũng tiết kiệm vì kích thước cấu kiện thành mỏng thường bị giới hạn bởi ñiều kiện ổn ñịnh, không tận dụng ñược cường ñộ cao. Theo AS4600:1996 thép có các số liệu khác nhau như sau: Mô ñun ñàn hồi: E=2,1.104 kN/cm2. Mô ñun ñàn hồi trượt : G≈8100 kN/cm2. Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 3 cũng quy ñịnh các loại thép dùng ñể chế tạo thanh thành mỏng. Về cơ bản, các loại thép này tương ñương với các loại thép 13 trong tiêu chuẩn của Úc AS 4600:1996. Bảng sau liệt kê một số loại thép thông dụng theo tiêu chuẩn Châu Âu, ñược trích ra từ bảng 3.1 tiêu chuẩn Eurocode 3 [4]. Tên tiêu chuẩn EN10025 EN 10113: part 2 EN 10113: part 3 EN 10147 EN 10149: Part 2 EN 10149: Part 3 Cấp thép Giới hạn chảy (fy) (N/mm2) Giới hạn chảy (fu) (N/mm2) S235 S275 S355 S 275 N S 355 N S 420 N S 460 N S 275 NL S 355 NL S 420 NL S 460 NL S 275 M S 355 M S 420 M S 460 M S 275 ML S 355 ML S 420 ML S 460 ML S220GD+Z S250GD+Z S280GD+Z S320GD+Z S350GD+Z S 315 MC S 355 MC S 420 MC S 460 MC S 500 MC S 550 MC S 600 MC S 650 MC S 700 MC S 260 NC S 315 NC S 355 NC 235 275 355 275 355 420 460 275 355 420 460 275 355 420 460 275 355 420 460 220 250 280 320 350 315 355 420 460 500 550 600 650 700 260 315 355 360 430 510 370 470 520 550 370 470 520 550 360 450 500 530 360 450 500 530 300 330 360 390 420 390 430 480 520 550 600 650 700 750 370 430 470 14 EN 10268 EN 10214 S 420 NC H240LA H280LA H320LA H360LA H400LA S220GD+ZA S250GD+ZA S280GD+ZA S320GD+ZA S350GD+ZA 420 240 280 320 360 400 220 250 280 320 350 530 340 370 400 430 460 300 330 360 390 420 Bảng 1.4. Thép dùng làm kết cấu tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Châu Âu b. Tiết diện tạo từ thép tấm mỏng Thép ñược cán nóng thành tấm rất mỏng dạng cuộn là phôi ñể tạo thành các cấu kiện thành mỏng. Bằng các cách gia công nguội, có thể tạo từ tấm thép mỏng ra tiết diện hình bất kì. Nhiều trường hợp hình thức và kích thước tiết diện thép hình uốn nguội ñược chọn riêng lẻ cho phù hợp với nhiệm vụ của từng công trình. Khi tự chọn và thiết kế hình thức tiết diện cần xét các ñiều sau: - Khả năng chế tạo ñược thép hình bằng thiết bị hiện có của nhà sản xuất. - ðiều kiện sử dụng công trình. - Khả năng chế tạo kết cấu bằng thép hiện có của nhà sản xuất. - Sự chịu lực của các thanh thép hình và liên kết của chúng. ðặc trưng và công suất của các máy gia công sẽ quyết ñịnh bề rộng và bề dày của thấm thép phôi, chiều dài tối ña của sản phẩm, bán kính uốn, bề dài tối thiểu của ñoạn thẳng, của tiết diện. ðối với tiết diện kín thì phải có ñiều chỉnh tùy theo ñường lối và công nghệ chế tạo. Khi thiết kế hình dạng tiết diện cán nguội, cần lưu ý các yêu cầu sau: - Góc uốn phải có bán kính r = 1,2 ñến 1,5 lần bề dày bản thép. - Chú ý vấn ñề an toàn phòng gỉ. + Về hình dạng, nên dùng tiết diện hở, vì dễ tiếp cận vào phía trong ñể lau chùi, sơn. Tránh tạo hình máng, dễ tích bụi ẩm. Nếu bắt buộc làm thì cần tạo ñộ dốc, hoặc có lỗ thoát. 15 + Về bề dày tối thiểu ñể phòng gỉ tham khảo các trị số sau: 1,5 mm ñối với kết cấu có mái che kín, 3 mm ñối với kết cấu lộ thiên, 3,5 mm ñối với kết cấu trong môi trường ăn mòn. - Về mặt chịu lực: + Thanh chịu nén nên dùng tiết diện hộp, tiết diện có mép cứng, vì mép cứng làm tăng ổn ñịnh cục bộ, làm tăng ñộ cứng của tiết diện. + Thanh chịu kéo nên dùng tiết diện gọn hơn, dùng thanh dày hơn. + Hạn chế hàn trực tiếp thành mỏng với thành dày của cấu kiệc cán khác. 1.3.2. Vấn ñề phòng gỉ. Phòng gỉ cho kết cấu thép thành mỏng là cực kì quan trọng. Kết cấu thành mỏng không ñược bảo vệ tốt sẽ phả hủy nhanh chóng trong thời gian ngắn. a. Hiện tượng gỉ. Sự gỉ của kết cấu kim loại chủ yếu là hiện tượng ăn mòn ñiện hóa. Trên bề mặt kim loại có những phần tử vi mô hoạt ñộng như những ñiện cực. Tiếp xúc với chất ñiện giải là dung dịch nước của hơi nước của không khí có chứa các hợp chất, khí cacbonic. Dòng ñiện xuất hiện, cực dương bị tan trong chất ñiện phân. Thế hiệu giữa các cực càng lớn, dòng ñiện càng mạnh và sự ăn mòn càng nhanh. Hiện tượng gỉ xảy ra khi: - Tiếp xúc giữa hai kim loại: ví dụ mạ thép bằng kền hoặc bằng kẽm, khi có hư hại chỗ mạ, ñể lộ thép ra. Nếu mạ kền, sắt có ñiện tích âm lớn hơn kền, sẽ trở thành anôt và bị hòa tan. Sự ăn mòn xảy ra rất nhanh vì diện tích anôt (sắt ñể lộ) rất nhỏ so với diện tích catôt (lớp mạ kền). Nếu mạ kẽm, vì kẽm có ñiện tích âm lớn hơn sắt sẽ trở thành anôt bị hòa tan và sẽ phủ lên mặt thép một lớp bảo vệ. Trường hợp này gọi là lớp bảo vệ anôt. Nói chung khi thép tiếp xúc với kim loại có ñiện tích âm lớn như kẽm, nhôm, măng gan thì thép ñược bảo vệ chống gỉ. - Tiếp xúc kim loại với chất phi kim: Các tạp chất oxyt, sultfat tan trong kim loại có ñiện tích khác với sắt tạo nên ñiện cực, cùng với kim loại cơ bản. 16 - Sự phủ một lớp oxyt trên kim loại: Thép ñược gia công cơ khí hay nhiệt luyện thì trên mặt có một lớp oxyt phủ mỏng, thép không gia công cũng ñược phủ bởi một lớp gỉ là oxyt, cũng sẽ bảo vệ cho thép không bị gỉ tiếp nữa. Nhưng nếu lớp gỉ này bị hư hại và oxyt có ñiện thế lớn hơn thép trở thành anôt và bị ăn mòn. - Bề mặt kim loại không nhẵn như nhau: Thép có bề mặt sần sùi thì ñiện thế thấp hơn bề mặt nhẵn, từ ñó tạo nên các ñiện cực trên bề mặt kém nhẵn. - Thép ở trạng thái ứng suất: Chỗ bị biến dạng có ñiện thế thấp. Giữa kết cấu bị biến dạng và kết cấu không bị biến dạng tạo nên một cặp pin. Tuy nhiên sự ăn mòn ở ñây là nhỏ và không ñáng ngại. - Và nhiều nguyên nhân khác nữa. Tốc ñộ ăn mòn xác ñịnh bằng bề sâu ăn mòn của thép mm/năm hoặc trọng lượng thép mất ñi trên một ñơn vị diện tích g/m2/năm. Tốc ñộ này thay ñổi phụ thuộc trước hết vào môi trường, ví dụ: Vùng nông thôn 0,004mm/năm, thành phố 0,03-0,06 mm/năm, vùng biển 0,06-0,16 mm/năm, nhà máy hóa chất 1mm/năm. Tốc ñộ ăn mòn phụ thuộc vào hình dáng tiết diện và vị trí không gian: - Lớp nhất ở mặt trên nằm ngang, nhỏ nhất ở mặt trần. - Mặt ñứng ở mức trung bình, tuy nhiên ở phía dưới gần cánh ngang thì nhanh hơn. - Mặt trong của tiết diện kín là ít ăn mòn, mặt trong của tiết diện nửa kín bị ăn mòn nhanh. - Ở tiết diện ghép hai thép góc hoặc hai chữ C, tại khe hở sẽ tích tụ bụi, hơi ẩm và khó sơn bảo vệ thì tốc ñộ ăn mòn rất nhanh. Lưu ý rằng tốc ñộ ăn mòn của thanh thành mỏng không khác thanh thành dày nhưng nguy hiểm hơn. Cần hạn chế sử dụng thanh thành mỏng trong ñiều kiện ngoài trời hoặc trong môi trường xâm thực. b. Các biện pháp phòng gỉ. Biện pháp cấu tạo khi thiết kế 17 Sử dụng các kết quả nghiên cứu trên các loại cấu tạo, rút ñược các kinh nghiệm sau ñây ñể tăng ñộ chống ăn mòn: - Chọn dùng loại tiết diện chống ăn mòn cao: Cao nhất là tiết diện hình ống, tới 2 lần so với tiết diện thép góc. Dầm tiết diện hộp chống ăn mòn tốt hơn dầm I. - Tiết diện bụng ñặc chống ăn mòn tốt hơn tiết diện rỗng. - Áp dụng nguyên tắc tập trung vật liệu, tăng bước kết cấu lên ñể làm tiết diện cấu kiện lớn hơn, thành dày hơn. ðưa ñến khả năng chống ăn mòn tốt hơn, giảm lượng sơn bảo vệ. - Chọn dùng loại vật liệu chống gỉ cao, ví dụ thép hợp kim thấp. - Tìm các giải pháp cấu tạo ñể cấu kiện không tích bụi, tích ẩm, ví dụ ñặt nghiêng dốc, tạo các lỗ thoát nước. - Chú ý tránh ñể kết cấu thép thành mỏng tiếp xúc với vật liệu xây dựng có chứa thạch cao, clorua magiê, xỉ than … vì sẽ bị ăn mòn nhanh. Dùng sơn bảo vệ - Sơn: lớp bảo vệ rẻ nhất dễ áp dụng. Kỹ thuật dùng sơn cho kết cấu thành mỏng không khác gì so với kết cấu thép thường gồm các việc: + Làm sạch bề mặt kết cấu cho hết vết gỉ, oxit, dầu mỡ bằng bàn chải sắt, búa hơi, phun cát, ngọn lửa hàn. + Sơn lót bằng hỗn hợp minium 60% và oxyt sắt 40% việc quan trọng nhất ñể chống gỉ. + Sơn mặt bảo vệ cho sơn lót và tạo màu. ðối với cấu kiện mà không thể sơn lại ñược sau khi lắp thì phải dùng phương pháp bảo vệ cao hơn: Sơn lót hai lần và sơn mặt hai lần. - Các kết cấu thành mỏng hiện ñại phần lớn là dùng biện pháp mạ. Phương pháp mạ phổ thông là mạ kẽm nhúng nóng hoặc phun lớp kẽm phủ. Việc mạ kẽm có thể thực hiện ngay từ cuộn thép tấm mỏng hoặc thực hiện sau khi kết cấu ñã hoàn thành. Việc phun thực hiện lên kết cấu ñã lắp xong, hình dạng kết 18 cấu có thể tùy ý. Bên ngoài lớp mạ và lớp phun thường có thêm lớp sơn bảo vệ lớp phủ nữa. Hiện nay, hầu hết các tấm mái, tấm tường, xà gồ, dầm tường, dàn, khung của các nhà thép thành mỏng xây dựng ở nước ta ñều dùng thép mạ Zincalume. Zincalume là lớp mạ kim nhôm kẽm (55% nhôm, 43,5% kẽm và 1,5% silic) ñược thực hiện bằng phương pháp nhúng nóng liên tục có tuổi thọ gấp 4 lần lớp mạ kẽm thông thường. 1.3.3. Công nghệ chế tạo thanh thành mỏng. Dùng phương pháp gia công nguội, có thể làm ñược cấu kiện thành mỏng mà không thể dùng phương pháp cán nóng, cấu kiện này có bề mặt nhẵn, có thể quét ngay sơn bảo vệ lên, cường ñộ thép ñược tăng lên. Các phương pháp: gấp bằng máy gấp mép, dập khuôn bằng máy ép và cán liên tục. a. Máy gấp mép. Thân máy gồm hai thớt, thớt dưới gắn thước tạo thành hình bên dưới, thớt trên cố ñịnh gắn thước tạo hình bên trên và kẹp chặt bản thép. Thớt dưới ñi lên, gấp mép và tạo góc bản thép. Thay ñổi thước tạo hình thì tạo ñược các hình dạng khác nhau. Phải nhiều ñộng tác mới tạo ñược hình hoàn chỉnh. Cách chế tạo này có nhược ñiểm sau: - Năng suất thấp, nhiều thao tác. - ðộ chính xác kém. - Chỉ gập ñược bản thép dày không quá 3mm, chiều dài không quá 6m. Tuy nhiên ưu ñiểm của phương pháp là giá thiết bị rẻ, dễ trang bị. Có thể ñạt ñược nhiều hình dạng bằng việc thay ñổi dễ dàng thước tạo hình. Công nghệ này thích hợp với việc sản xuất theo quy mô nhỏ, sản xuất nhiều loại hình khác nhau. b. Máy ép khuôn. Máy dùng cho dây chuyền sản xuất hàng loạt nhỏ. Máy gồm có thân máy, bàn máy, dầm ép. Khuôn cuối tạo hình ñặt trên máy. Dầm ép ở bên trên ñi xuống, có gắn chày tạo hình. Lực ép từ 40 ñến 150 tấn, ép toàn bộ chiều dài thanh.