Tài liệu đánh giá khả năng chịu lực của một số công trình nhà thép tại khánh hòa theo eurocode 3

MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC BẢNGv DANH MỤC CÁC HÌNHvi MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................ 1 2. Mục tiêu của đề tài .................................................................................... 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu............................................................. 3 4. Phƣơng pháp nghiên cứu........................................................................... 3 5. Bố cục đề tài .............................................................................................. 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÉP VÀ CÔNG TRÌNH NHÀ THÉP TẠI KHÁNH HÒA ................................................................................ 4 1.1. Tổng quan về cấu kiện thép trong công trình ........................................ 4 1.1.1. Đặc điểm của cấu kiện thép trong công trình ................................. 4 1.1.2. Các loại cấu kiện thép trong công trình .......................................... 5 1.2. Tổng quan về kết cấu thép công trình nhà ............................................. 5 1.2.1. Đặc điểm của kết cấu nhà công nghiệp ........................................... 5 1.2.2. Đặc điểm của kết cấu nhà dân dụng................................................ 6 1.3. Tình hình các công trình sử dụng kết cấu thép đã đƣợc triển khai trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa................................................................................. 7 1.3.1.Cầu ................................................................................................... 7 1.3.2. Tháp thông tin vô tuyến và cột tải điện........................................... 7 1.3.3. Các công trình nhà thép .................................................................. 7 1.3.4. Các công trình khác......................................................................... 7 CHƢƠNG 2. CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP THEO EUROCODE 3 .................................................................................................. 8 2.1. Cấu kiện kết cấu thép chịu uốn .............................................................. 8 2.2. Cấu kiện kết cấu theo chịu kéo, nén....................................................... 9 2.3. Liên kết trong kết cấu thép ................................................................... 10 2.3.1. Kiểm tra liên kết hàn theo Eurocode 3.......................................... 13 2.3.1.1. Mối hàn góc............................................................................ 13 2.3.1.2. Mối hàn đối đầu ..................................................................... 13 2.3.2. Kiểm tra liên kết bulong theo Eurocode 3 .................................... 14 2.3.2.1. Khả năng chịu cắt của bulong ................................................ 14 2.3.2.2. Khi mối nối dài quá 500mm .................................................. 14 2.3.2.3. Bề dày bản thép t p d / 3 ........................................................ 14 2.3.2.4. Bề dày bản thép Tg 5d ......................................................... 14 2.3.2.5. Khả năng chịu ép của bulong ................................................. 14 2.3.3. Kiểm tra bulong chịu kéo theo Eurocode 3 .................................. 15 2.3.3.1. Bulong chịu kéo ..................................................................... 15 2.3.3.2. Bulong chịu kéo và chịu cắt ................................................... 15 2.4. Hiện trạng kết cấu một số công trình ở tỉnh Khánh Hòa ..................... 15 2.5. Sơ đồ khối quy trình tính toán.............................................................. 17 CHƢƠNG 3. KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CÔNG TRÌNH HIỆN TẠI THEO EUROCODE 3 .................................................................. 19 3.1. Đối tƣợng khảo sát ............................................................................... 19 3.2. Mô phỏng kết cấu ................................................................................. 19 3.3. Kiểm tra về sử dụng Eurocode 3 .......................................................... 38 3.3.1. Dự án Xƣởng may và văn phòng làm việc Công ty TNHH MTV F.L.D Việt Nam....................................................................................... 38 3.3.1.1. Kiểm tra khả năng chịu lực đối với dầm................................ 38 3.3.1.2. Kiểm tra khả năng chịu lực đối với cột.................................. 39 3.3.1.3. Kiểm tra khả năng chịu lực của liên kết ................................ 40 3.3.1.4. Kiểm tra điều kiện chuyển vị ................................................. 42 3.3.2. Dự án Showroom của Công ty TNHH thƣơng mại Cửu Long ..... 43 3.3.2.1. Kiểm tra khả năng chịu lực đối với dầm................................ 43 3.3.2.2. Kiểm tra khả năng chịu lực đối với cột.................................. 44 3.3.2.3. Kiểm tra khả năng chịu lực của liên kết ................................ 45 3.3.2.4. Liên kết chân cột .................................................................... 47 3.3.2.5. Kiểm tra điều kiện chuyển vị ................................................. 47 3.4. Tổng hợp .............................................................................................. 47 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 53 PHỤ LỤC54 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NHÀ THÉP TẠI KHÁNH HÒA THEO EUROCODE 3 Học viên: Nguyễn Quốc Sơn Hà Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD & CN Mã ngành: 60.58.02.08 Khóa: 33 Trƣờng Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Hiện nay, việc phân tích kết cấu thép thƣờng đƣợc áp dụng tính toán theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn, từ đó đƣa ra số liệu thiết kế làm cơ sở lựa chọn một sản phẩm xây dựng hoàn hảo. Tại Việt Nam hiện nay, các kỹ sƣ thƣờng tham khảo, vận dụng theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép TCXDVN 5575-2012 của Bộ Xây dựng để làm căn cứ tính toán. Tuy nhiên hiện nay, tốc độ phát triển dự án tại tỉnh Khánh Hòa đang đƣợc rất nhiều nhà đầu tƣ quan tâm, trong đó có các nhà đầu tƣ nƣớc ngoài; do vậy, việc tính toán hệ thống kết cấu thép sẽ đƣợc các tƣ vấn thiết kế nƣớc ngoài tính toán trên cơ sở vận dụng một số tiêu chuẩn khác nhƣ tiêu chuẩn Nga (SNIP), Hoa Kỳ (AISC), Anh (BS5950), Châu Âu (Eurocode)… Trong phạm vi luận văn này, tác giả đề xuất kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu công trình nhà thép tại địa bàn tỉnh Khánh Hòa theo tiêu chuẩn Eurocode 3 nhằm kiểm tra xem công trình nà thép hiên hƣ co đáp ứng đƣợc các yêu cầu theo tiêu chuẩn hay không. Từ đó đƣa ra các kết luận về sự liên quan hay tƣơng thích giữa TCXDVN và Eurocode để vận dụng làm cơ sở lựa chọn sơ đồ tính, phƣơng pháp tính toán phù hợp nhằm đảm bảo an toàn và ổn định kết cấu. Từ khóa - Eurocode 3; khả năng chịu lực; kết cấu thép; Khánh Hòa; thiết kế kết cấu VERIFICATION OF SOME STEEL BUILDING IN KHANH HOA ACCORDING TO EUROCODE 3 Abstract – Steel structures is develop and popular in construction in Vietnam. Steel structures is the optimal method for engineers to make a great construction. Nowaday, Building code TCXDVN 5575-2012 is been applied in the design steel building in Vietnam. Beside, there are foreign codes like SNIP (Russia), AISC (America), BS5950 (Brsitish), Eurocode (Europe)… This paper scope is checking the capacity of steel buildings in Khanh Hoa province according to foreign codes and regarding the applicable of foreign codes in design steel building in Vietnam. And then proposing some design standard for Vietnamese steel design Code TCXDVN 5575-2012. Key words – Eurocode 3; Structural resitance; Steel structures; Khánh Hòa; Structural design DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu 2.1. 2.2. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. Tên bảng Bảng liệt kê chi tiết kết cấu Bảng liệt kê chi tiết kết cấu Kết quả tính toán cấu kiện dầm Kết quả tính toán cấu kiện cột Kết quả tính toán liên kết nút khung Kết quả tính toán liên kết chân cột Kết quả tính toán cấu kiện dầm Kết quả tính toán cấu kiện cột Kết quả tính toán liên kết nút khung Kết quả tính toán liên kết chân cột Trang 16 17 48 48 49 49 50 50 51 51 DANH MỤC CÁC HÌNH Số Tên hình hiệu Trang 2.1. Chi tiết liên kết bulong điển hình 11 2.2. Chi tiết liên kết bulong điển hình 2 12 2.3. Chi tiết liên kết điển hình 3 13 3.1. Khung điển hình Dự án Xƣởng may và phòng làm việc 20 3.2. Mô phỏng công trình bằng phần mềm Etabs 9.7.4 21 3.3. Mặt bằng định vị tim cột 22 3.4. Mặt bằng định vị bulong móng 23 3.5. Khung K2 (11 CK) 24 3.6. Khung K1 (02 CK) 25 3.7. Nội lực khung trục A 26 3.8. Nội lực khung trục B 27 3.9. Nội lực khung trục C 28 3.10. Nội lực khung trục D 29 3.11. Nội lực khung trục E 30 3.12. Nội lực khung trục 2 31 3.13. Chuyển vị ngang 31 3.14. Khung điển hình Dự án Showroom của Công ty TNHH thƣơng mại Cửu Long 32 3.15. Mô phỏng công trình bằng phần mềm Etabs 9.7.4 33 3.16. Mặt bằng định vị tim cột, móng 33 3.17. Nội lực khung trục 1 34 3.18. Nội lực khung trục 2 35 3.19. Nội lực khung trục 3 36 3.20. Nội lực khung trục 4 37 3.21. Chuyễn vị ngang 37 3.22. Dầm thép điển hình Dự án Xƣởng may và nhà làm việc 38 3.23. Cột thép điển hình Dự án Xƣơng may và nhà làm việc 39 3.24. Liên kết nút khung điển hình Dự án Xƣơng may và nhà làm việc 41 3.25. Liên kết chân cột điển hình Dự án Xƣởng may và nhà làm việc 42 3.26. Dầm thép điển hình Dự án Showroom của Công ty TNHH thƣơng mại Cửu Long 43 Số Tên hình hiệu 3.27. 3.28. 3.29. Cột thép điển hình Dự án Showroom của Công ty TNHH thƣơng mại Cửu Long Liên kết nút khung điển hình Dự án Showroom của Công ty TNHH thƣơng mại Cửu Long Liên kết chân cột điển hình Dự án Showroom của Công ty TNHH thƣơng mại Cửu Long Trang 44 46 47 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong thực tế ngành xây dựng hiện nay, việc sử dụng kết cấu thép ngày càng đƣợc áp dụng rộng rãi cho nhiều công trình trên thế giới và trở nên quen thuộc trong ngành xây dựng Việt Nam, đặc biệt là nhà nhịp lớn và nhà cao tầng. Kết cấu nhà công nghiệp chủ yếu là các công trình thép với nhiều tên tuổi nổi tiếng nhƣ: Zamil Stell, Kerby, BPH… Nhà nhịp lớn: nhà thi đấu quần ngựa tại đƣờng Liễu Giai – Hà Nội, trung tâm Hội nghị Quốc gia, ga sân bay T1 Nội Bài.... Tại Khánh Hòa, một số trƣờng học đã áp dụng kết cấu thép để xây dựng các nhà thi đấu đa năng nhƣ Trƣờng Đại học Thông tin liên lạc, Trƣờng Đại học Khánh Hòa..., ngoài ra cũng có một số công trình dân dụng đã sử dụng kết cấu thép để xây dựng nhà ở, cửa hàng, khách sạn. Có thể nhận thấy trong tƣơng lai các công trình thép sẽ phát triển hơn nữa. Trong phân tích kết cấu, việc lựa chọn sơ đồ tính cũng nhƣ xác định dữ liệu đầu vào tính toán là vô cùng quan trọng; tại Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép hiện nay đang áp dụng TCXDVN 5575-2012 Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế. Hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam trƣớc đây đƣợc hình thành qua nhiều năm, chủ yếu dựa trên sự chuyển dịch từ các tiêu chuẩn của Liên Xô, Anh Quốc, Hoa Kỳ, ISO, Trung Quốc... Sự hình thành các tiêu chuẩn xuất phát từ nhu cầu thực tế đòi hỏi qua các thời kỳ mà chƣa có sự đồng bộ và hệ thống ngay từ đầu. Trong bối cảnh nƣớc ta đang trong quá trình hội nhập đầy đủ vào nền kinh tế thế giới, một trong những nhiệm vụ rất quan trọng của ngành Xây dựng và cũng là đòi hỏi của quá trình hội nhập là dỡ bỏ rào cản kỹ thuật, soát xét và xây dựng hệ thống tiêu chuẩn xây dựng đồng bộ, hiện đại, hài hoà và tiệm cận với tiêu chuẩn quốc tế, tạo điều kiện cho quá trình hội nhập của ngành Xây dựng với các nƣớc trong khu vực và thế giới. Ngoài ra, do đặc thù của tỉnh Khánh Hòa với bờ biển dài 385 km, khi sử dụng khung thép tiền chế trong điều kiện môi trƣờng không khí ẩm ƣớt, đặc biệt là môi trƣờng dễ bị xâm thực có thể khiến cho thép bị gỉ từ bề mặt bên ngoài, nếu không có biện pháp khắc phục kịp thời sẽ làm ảnh hƣởng đến toàn bộ công trình; đồng thời, với tốc độ phát triển về khoa học công nghệ thì việc tính toán thiết kế kết cấu thép cần đòi hỏi thêm nhiều kiến thức từ các tài liệu khác liên quan. Thêm nữa, ngày càng nhiều các dự án có nguồn vốn đầu tƣ từ nƣớc ngoài nên việc thiết kế công trình không những phải đáp theo yêu cầu của nƣớc sở tại là Việt Nam mà còn phải thỏa mãn một mức độ nào đó tiêu chuẩn tính toán của phía nhà đầu tƣ; một số 2 tiêu chuẩn khác đƣợc chấp nhận để thiết kế kết cấu thép nhƣ: tiêu chuẩn Nga (SNIP), Hoa Kỳ (AISC), Anh (BS5950), Châu Âu (Eurocode)… Với xu hƣớng hội nhập nhƣ hiện nay, Bộ Xây dựng đang nghiên cứu sửa đổi một số tiêu chuẩn Việt Nam trên cơ sở áp dụng các tiêu chuẩn Châu Âu vào lĩnh vực kết cấu, nền móng, vật liệu xây dựng …; do vậy, ngoài việc tính toán theo tiêu chuẩn Việt Nam chúng ta cần tham khảo, áp dụng tính toán theo các tiêu chuẩn trên làm cơ sở kiểm định để vận dụng vào thiết kế tại Việt Nam. Eurocode là hệ thống tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu công trình áp dụng cho các nƣớc thuộc Liên minh Châu Âu và đang đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới đƣa vào sử dụng. Hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes là một bộ tiêu chuẩn về kết cấu công trình do Tiểu ban kỹ thuật CEN/TC250 soạn thảo và đƣợc Uỷ ban Tiêu chuẩn hoá Châu Âu (CEN) ban hành để áp dụng chung cho các nƣớc thuộc Liên minh châu Âu EU. Bắt đầu từ năm 1975, Uỷ ban của Liên minh châu Âu đã quyết định một chƣơng trình hành động trong lĩnh vực xây dựng, trong đó đối tƣợng của chƣơng trình là loại bỏ rào cản kỹ thuật trong thƣơng mại và tiến tới hài hoà các quy định kỹ thuật. Trong khuôn khổ của chƣơng trình, một loạt các quy tắc kỹ thuật hài hoà trong thiết kế xây dựng đã đƣợc hình thành để thay thế cho các quy tắc trong tiêu chuẩn quốc gia các nƣớc thành viên. Đến giữa năm 1980, những tiêu chuẩn đầu tiên về kết cấu công trình thuộc hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes đã ra đời; trong đó bao gồm tiêu chuẩn EN 1993 Eurocode 3: Thiết kế kết cấu thép. Hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes đƣợc áp dụng sẽ mang lại những ƣu thế sau đây: 1 Đƣa ra những tiêu chí và phƣơng pháp thiết kế chung nhằm đáp ứng các yêu cầu về độ bền, ổn định, khả năng chịu lửa và tuổi thọ công trình; 2 Đƣa ra cách hiểu thống nhất về thiết kế giữa chủ đầu tƣ, ngƣời thiết kế, nhà thầu, nhà quản lý... 3 Tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi dịch vụ xây dựng giữa các quốc gia, thƣơng mại các sản phẩm xây dựng; 4 Là cơ sở thống nhất cho việc nghiên cứu và phát triển công nghiệp xây dựng; 5 Cho phép tạo ra những công cụ hỗ trợ thiết kế và phần mềm thiết kế chung; 6 tăng cƣờng sự hợp tác chặt chẽ giữa các tổ hức, cá nhân trong và ngoài nƣớc trong hoạt động xây dựng. Từ những lý do nêu trên, tác giả chọn đề tài: "Đánh giá khả năng chịu lực của một số công trình nhà thép tại Khánh Hòa theo Eurocode 3" là có ý nghĩa thực tiễn và đáp ứng yêu cầu đặt ra của một luận văn cao học theo định hƣớng ứng dụng. 2. Mục tiêu của đề tài - Mục tiêu tổng quát: 3 Tính toán và đánh giá khả năng chịu lực của cấu kiện kết cấu thép theo tiêu chuẩn Eurocode 3. - Mục tiêu cụ thể: + Nghiên cứu lý thuyết tính toán khả năng chịu lực của kết cấu thép theo tiêu chuẩn Eurocode 3. + Kiểm định, tính toán lại khả năng chịu lực của hệ thống kết cấu thép ngoài thực tế đã đƣa vào sử dụng trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa theo tiêu chuẩn Eurocode 3 và TCXDVN 5575-2012; kết quả của luận văn sẽ đƣợc so sánh nhằm đánh giá kết quả đạt đƣợc và đƣa ra kiến nghị. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng: Nghiên cứu việc tính toán các công trình nhà thép xây dựng tại tỉnh Khánh Hòa. - Phạm vi nghiên cứu: Các đáp ứng về khả năng chịu lực của kết cấu theo Eurocode 3. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Các quy định về thiết kế kết cấu thép theo Eurocode 3. - Thu thập các bản vẽ của công trình kết cấu thép tại Khánh Hòa. - Mô phỏng, tính toán, so sánh kết quả đạt đƣợc. 5. Bố cục đề tài Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan về kết cấu thép và công trình nhà thép tại Khánh Hòa Chƣơng 2: Các vấn đề thiết kế kết cấu thép theo Eurocode 3 Chƣơng 3: Kiểm tra khả năng chịu lực của công trình hiện tại theo Eurocode 3 Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÉP VÀ CÔNG TRÌNH NHÀ THÉP TẠI KHÁNH HÕA 1.1. Tổng quan về cấu kiện thép trong công trình 1.1.1. Đặc điểm của cấu kiện thép trong công trình Kết cấu thép là một cấu trúc kim loại đƣợc hình thành từ các cấu kiện thép liên kết với nhau để truyền tải và chịu lực. Nhờ cƣờng độ cao của thép mà kết cấu này chắc chắn và đòi hỏi ít nguyên liệu hơn các loại kết cấu khác. Trong thực tế ngành xây dựng hiện nay, việc sử dụng kết cấu thép ngày càng đƣợc áp dụng rộng rãi cho nhiều công trình trên thế giới nhƣ các tòa nhà công nghiệp nặng, các tòa nhà cao tầng. hệ thống đỡ thiết bị, cơ sở hạ tầng, tháp, sân bay,… Kết cấu thép đƣợc sử dụng rộng rãi nhờ có các đặc điểm: cƣờng độ lớn, độ tin cậy cao, trọng lƣợng nhẹ, chịu lực tốt, cấu tạo tƣơng đối đơn giản và chi phí không lớn nên phù hợp với sản xuất công nghiệp. Do các đặc điểm nói trên, kết cấu thép thích hợp với những công trình lớn, các công trình cần trọng lƣợng nhẹ, các công trình cần độ kín không thấm nƣớc hoặc khí. Có thể chi làm các loại công trình: + Nhà công nghiệp, khung nhà công nghiệp: toàn bộ bằng thép khi nhà cao, cầu trục nặng hoặc có thế là hỗn hợp cột bê tông cốt thép, dàn và dầm thép. + Nhà nhịp lớn: những loại nhà do yêu cầu sử dụng phải có nhịp khá lớn trên 30 – 40m, nhƣ nhà biểu diễn ca nhạc, nhà thi dấu thể dục thể thao, nhà triển lãm, nhà chứa máy bay,… dùng kết cấu thép là hợp lý. + Khung nhà nhiều tầng: đặc biệt các kiểu nhà dạng thép ở các thành phố. Khi nhà trên 20-30 tầng nội lực trong cột sẽ lớn, yêu cầu độ cứng cao, dụng khung théo có lợi hơn khung bê tông cốt thép. Hiện nay đối với nhà cao tầng thƣờng dùng kết cấu thép liên hợp thép – bê tông, loại kết cấu này có nhiều ƣu điểm khi chịu lực và có khả năng chống cháy tốt. + Cầu đƣờng bộ, cầu đƣờng sắt: làm bằng thép khi nhịp vừa, nhịp lớn, khi cần thi công nhanh. Cầu treo bằng thép có thể vƣợt đƣợc nhịp rất lớn, trên 100m. + Kết cấu thép cao: nhƣ các loại cột điện, cột anten vô tuyến, tháp trắc đạc, hoặc một số loại kết cấu đặc biệt nhƣ thép khoan dầu. Sử dụng thép ở đây có lợi vì kết cấu nhẹ, dễ vận chuyển, dễ lắp dựng. + Kết cấu bản: Nhƣ các loại bể chứa dầu, bể chứa chí, các thiết bị của lò cao, của nhà máy hóa chất, nhà máy hóa dầu. Đây là phạm vi ứng dụng đặc biệt có lợi, 5 nhiêu khi là duy nhất của kết cấu thép, vì tính kín, chống thấm của kết cấu thép, vì khả năng làm việc trong những điều kiện bất lợi về nhiệt độ và áp suất. + Các loại kết cấu di động: nhƣ cần trục, cửa van, gƣơng anten parabon… cần trọng lƣợng nhẹ để có thể di chuyển nâng cất đƣợc dễ dàng. 1.1.2. Các loại cấu kiện thép trong công trình Cấu kiện thép là vật liệu xây dựng đƣợc chế tạo với hình dạng và thành phần hóa học cụ thể, phù hợp với yêu cầu của từng dự án. Tùy thuộc vào chi tiết kỹ thuật áp dụng cho từng dự án, cấu kiện thép có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau, cách chế tạo khác nhau (cán nóng, hàn các tấm thép với nhau hoặc uốn cong tấm thép). Từ các chi tiết áp dụng trên thƣờng đƣợc áp dụng cho hai loại cấu kiện chính của kết cấu thép là: + Dầm: Cấu kiện chịu uốn là chủ yếu; nội lực chính: momen uốn và lực cắt. + Cột: Có 3 bộ phận chính: * Đầu cột: đỡ các kết cấu bên trên và phân phối tải trọng cho tiết diện thân cột. * Thân cột: bộ phận chịu lực cơ bản, truyền tải trọng từ trên xuống dƣới. * Chân cột: bộ phận liên kết cột vào móng, phân phối tải trọng từ cột xuống móng. 1.2. Tổng quan về kết cấu thép công trình nhà 1.2.1. Đặc điểm của kết cấu nhà công nghiệp Nhà công nghiệp đƣợc sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng công nghiệp. Trƣờng hợp dùng cột bê tông, vì kèo bằng thép thì kết cấu khung đƣợc gọi là khung liên hợp, nếu dùng vật liệu thép cho tất cả các loại cấu kiện thì gọi là khung toàn thép. Khung toàn thép đƣợc sử dụng trong nhà cao, nhịp lớn, bƣớc cột lớn, ngoài ra do ƣu điểm của vật liệu thép nên khung thép còn đƣợc sử dụng để làm các loại nhà công nghiệp thông dụng. Trong nhà công nghiệp, cầu trục là ảnh hƣởng lớn nhất đến sự làm việc của kết cấu. Có thể phân loại nhà công nghiệp theo bốn chế độ làm việc của cầu trục là nhà có cầu trục chế độ làm việc nhẹ, trung bình, nặng và rất nặng. Kết cấu nhà công nghiệp có hình thức đa dạng, từ các kết cấu thép nhẹ nhƣ nhà kho, xƣởng cơ khí lắp ráp… đến xƣởng luyện thép công suất lớn. Kết cấu thép nhà công nghiệp là loại kết cấu nhẹ, dễ vận chuyển, có thể chịu tải trọng, lực lớn và tiết kiệm chi phí cũng nhƣ thời gian thi công. Chính vì thế nó đƣợc ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng. Về mặt tiết kiệm vật liệu, kết cấu thép áp dụng cho loại nhà xƣởng cao (H 50m, L 24m), bƣớc cột B lớn (B 12m), cầu trục nặng (Q 50T). Một số công trình công nghiệp áp dụng kết cấu thép nhƣ: + Nhà có cầu trục hoạt động liên tục (chế độ làm việc nặng hay rất nặng). 6 + Nhà có độ cao lớn, nhịp rộng, bƣớc cột lớn, cầu trục nặng – Do thép có tính cơ học cao. + Khi xây dựng tại những vùng xa, điều kiện vận chuyển đến khó khan – Kết cấu thép nhẹ, dễ vận chuyển. + Nhà trên nền đất lún không đều – Kết cấu thép vẫn chịu lực tốt trong điều kiện móng lún không đều. + Khi cần xây dựng nhanh, sớm đƣa công trình vào sử dụng. Ngoài ra, kết cấu thép cũng thích hợp để áp dụng vào nhà công nghiệp nhờ khả năng làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao (<2000C) tốt hơn so với BTCT, ít bị hƣ hại do các tác động cơ học, đồng thời dễ gia cố khi tải trọng tăng hoặc khu bị hƣ hỏng. 1.2.2. Đặc điểm của kết cấu nhà dân dụng Nhà dân dụng thƣờng đƣợc áp dụng với nhà nhịp lớn và nhà cao tầng. Công trình nhà nhịp lớn không phải là những công trình xây dựng hang loạt, mà là công trình đơn chiếc, yêu cầu về kiến trúc rất cao. Kết cấu của công trình mang tính chất hoàn toàn riêng biệt, khó tiêu chuẩn hóa và định hình hóa. Kích thƣớc của công trình nhà nhịp lớn thay đổi trong phạm vi rất rộng nên khó có module xác định cho kết cấu nhịp lớn. Kết cấu nhịp lớn chủ yếu chịu tải trọng do trọng lƣợng bản thân và của tấm lợp. Để giảm trọng lƣợng bản thân, ngƣời ta sử dựng vật liệu thép cƣờng độ cao hay hợp kim nhôm, dùng vật liệu lợp mái nhẹ nhƣ tấm bằng tole mỏng hay vải bạt…ngoài ra có thể sử dụng hệ kết cấu ứng suất trƣớc, hệ không gian hoặc dùng hệ mái dây. Nhà cao tầng thƣờng có tải trọng bản thân lớn, lại đƣợc phân bố trên một diện tích mặt bằng nhỏ nên cần giải quyết một số vấn đề về nền móng nhƣ độ lún lệch của móng ảnh hƣởng khá nhiều đến sự làm việc và trạng thái ứng suất biến dạng của công trình vốn có độ siêu tĩnh khá cao. Thêm nữa, do công trình có chiều cao lớn nên tác dụng của tải trọng ngang, tải trọng lệch hay biến thiên nhiệt độ là rất đáng kể, gây ra nội lực trục dọc trong cột và moment trong dầm lớn. Do đó, việc sử dụng kết cấu thép sẽ giúp giảm tiết diện cột đáng kể, chỉ chiếm khoảng 25%-3-% diện tích so với các loại cột có kết cấu truyền thống, từ đó giảm chi phí cho việc xây dựng kết cấu móng nhà, nâng cao hiệu quả kinh tế. Ngoài ra, sự phân bố độ cứng dọc theo chiều cao nhà có ảnh hƣởng đến dao động bản thân, do đó, để hạng chế điều này thì không chỉ tìm cách phân bố khối lƣợng hợp lý dọc theo chiều cao mà cần phải tìm cách giản nhiều nhất khối lƣợng tham gia dao động nhƣ sử dụng vật liệu nhẹ mà vật liệu thép có những tính chất khá phù hợp với những yêu cầu này. 7 1.3. Tình hình các công trình sử dụng kết cấu thép đã đƣợc triển khai trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa 1.3.1.Cầu Tại tỉnh Khánh Hòa đã xây dựng đƣợc rất nhiều cầu bằng thép nhƣ cầu sắt Phú Kiểng – Nha Trang, cầu Hiệp Mỹ - Cam Ranh, cầu sắt Sông Cái, cầu Dinh – Ninh Hòa… 1.3.2. Tháp thông tin vô tuyến và cột tải điện Ngày từ những năm 60, các nhà xây dựng Việt Nam đã có khả năng thiết kế, chế tạo và dựng lắp hàng loạt công trình tháp cao cho mục đích viễn thông và tải điện. Đáng kể nhất là Trung tâm phóng xạ, tháp ănten truyền hình, … 1.3.3. Các công trình nhà thép Trên địa bàn tỉnh hiện có các công trình nhà thép đƣợc xây dựng nhƣ nhà tập thể dục thể thao đa năng tại các trƣờng cao đẳng, đại học, xƣởng may và văn phòng làm việc của Công ty TNHH MTV F.L.D - Khu công nghiệp Suối Dầu, huyện Cam Lâm, showroom của Công ty TNHH thƣơng mại Cửu Long... 1.3.4. Các công trình khác Có thể kể ra: - Bể chứa dầu và chứa khí, hình trụ và hình cầu, dung tích từ 500 đến 1.500m3 đặt tại các Kho ngoại quan Vân Phong. - Công trình Bánh xe khổng lồ, hệ thống tuyến cáp treo – Vinpearl Nha Trang với trụ cao nhất 54,65m và thấp nhất 7,96m. 8 CHƢƠNG 2 CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP THEO EUROCODE 3 2.1. Cấu kiện kết cấu thép chịu uốn Khi thiết kế cấu kiện chịu uốn, cần phân biệt đƣợc kiềm chế theo phƣơng ngang và không đƣợc kiềm chế theo phƣơng ngang. Khi đƣợc kiềm chế theo phƣơng ngang bằng hệ gằng thích hợp hoặc bằng sàn đặt lên dầm, dầm sẽ không bị mất ổn định tổng thể. Một cấu kiện chịu uốn phải thỏa mãn các điều kiện chịu lực nhƣ: - Tại tiết diện nguy hiểm, cần kiểm tra sự làm việc kết hợp chịu moment lớn nhất và lực cắt kèm theo, cũng nhƣ kết hợp lực cắt lớn nhất và moment kèm theo. - Bản bụng phải thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ và chịu lực tập trung. - Kiểm tra sự oằn bên của dầm do xoắn, trừ khi cánh nén của dầm đƣợc kiểm chế hoàn toàn. - Kiểm tra độ võng lớn nhất không vƣợt quá giới hạng cho phép. *. Kiểm tra khả năng chịu cắt và chịu uốn của cấu kiện theo Eurocode 3 1. Khả năng chịu cắt của dầm P Pv Với 0,6p y Av py : cƣờng độ cắt tính toán Av : diện tích chịu cắt 2. Khả năng chịu moment a. Khi lực cắt không lớn Fv 0,6Pv - Đối với tiết diện dẻo và đặc chắc Mc py S - Đối vối tiết diện nửa đặc chắc Mc py Z hoặc M c py Seff - Đối với tiết diện mảnh Mc Với py Zeff py : cƣờng độ cắt tính toán S : module chống uốn dẻo Seff : module chống uốn dẻo hữu hiệu Z : module chống uốn đàn hồi Z eff : module chống uốn đàn hồi hữu hiệu b. Khi lực cắt lớn 9 Fv 0,6Pv - Đối với tiết diện dẻo và đặc chắc Mc py ( S Sv ) - Đối vối tiết diện nửa đặc chắc Mc Sv /1,5) hoặc Mc py (Z py (Seff Sv ) - Đối với tiết diện mảnh Mc Với py (Zeff Sv /1,5) Sv : module chống uốn dẻo của tiết diện cắt Av [2( Fv / Pv ) 1]2 2.2. Cấu kiện kết cấu theo chịu kéo, nén Cấu kiện chịu kéo gặp trong phần lớn các công trình. Đó là những thanh cánh hoặc thanh bụng của dàn cầu hoặc dàn mái, những thanh của hệ giằng gió,… Tiết diện thanh kéo đơn giản nhất là thép tròn, dây cáp hoặc théo dẹt. Các loại thép hình nhƣ thép góc, thép máng, thép I cũng đƣợc dùng làm thanh kéo. Khi tiết diện không đủ chịu lực thì dùng tiết diện tổ hợp do nhiều bản thép hoặc thép hình ghép lại. Cấu kiện chịu nén là các loại các loại cột nhà hay thanh chống. Ngoài lực nén, cấu kiện còn có thể chịu uốn do sự đặt lệch tâm của lực nén, do các moment nút cứng hoặc do tải trọng ngang đặt vào chiều dài cấu kiện. *. Kiểm tra khả năng chịu nén và uốn của cấu kiện theo Eurocode 3 1. Kiểm tra ổn định tổng thể - Oằn chung quanh hai trục do lực dọc và do uốn Fc Pc mx M x py Z x my M y py Z y 1 - Oằn chung quanh trục yếu do lực dọc và do uốn đối với trục khỏe Fc Pcy Với mLT M LT Mb my M y py Z y 1 Fc : lực nén M b : moment độ bền chống sự oằn ngang M LT : moment lớn nhất đối với trục khỏe trên đoạn L, dùng để tính Mb M x : moment lốn nhất đối với trục khỏe trên đoạn Lx, dùng để tính Pcx M y : moment lốn nhất đối với trục khỏe trên đoạn Ly, dùng để tính Pcy Pcx : khả năng chịu nén, xét oằn chỉ theo trục khỏe 10 Pcy : khả năng chịu nén, xét oằn chỉ theo trục yếu Pc : giá trị nhỏ nhất của Pcx và Pcy Z x : module chống uốn đàn hồi của tiết diện đối với trục khỏe Z y : module chống uốn đàn hồi của tiết diện đối với trục yếu py : cƣờng độ tính toán cua thép 2. Kiểm tra khả năng chịu lực cục bộ Fc Ag py Với Mx M cx My M cy 1 Fc : lực dọc trục tại tiết diện nguy hiểm Ag : diện tích tiết diện ngang nguyên M x , M y : moment uốn đối với trục khỏe và trục yếu, xét trong vùng nguy hiểm M cx , M cy : khả năng chịu moment uốn đối với trục khỏe và trục yếu khi không có lực dọc 2.3. Liên kết trong kết cấu thép Để tạo các cấu kiện ghép từ những thép hình, thép tấm riêng rẽ, ngƣời ta phải dùng đến liên kết. Từng cấu kiện này lại đƣợc liên kết với nhau để tạo nên một công trình hoàn chỉnh. Trong công trình xây dung hiện nay, các liên kết thƣờng dùng nhất là liên kết hàn và liên kết bu long. Liên kết hàn hiện nay chiếm vai trò chủ yếu trong kết cấu thép. Một số ƣu điểm khi sử dụng hình thức liên kết này là: giảm công chế tạo và khối lƣợng kim loại, hình thức cấu tạo kiên kết đơn giản, liên kết không chỉ bền mà còn kính. Bên cạnh đó nó còn có nhƣợc điểm là ảnh hƣởng của nhiệt độ cao trong quá trình hàn gây biến hình hàn và ứng suất hàn trong liên kết làm tăng tính giòn của vật liệu nên khả năng chịu tải trọng động của liên kết hàn kém. Liên kết bu lông tốn vật liệu và công chế tạo hơn nhƣng chịu tải trọng động tốt hơn nên thƣờng đƣợc dùng để chế tạo dầm cầu trục nặng, cầu, đƣờng sắt... Liên kết bu lông thuận lợi khi tháo lắp, không cần máy móc và năng lƣợng khi thi công nên đƣợc dùng trong các công trình lắp ráp, công trình tạm, liên kết các chi tiết trên cao… Một số liên kết điển hình bằng bulong theo các hình 2.1, hình 2.2, hình 2.3. 11 8 1 2 7 1A 1A 1 60 210 100 16 100 520 120 488 100 70 70 100 16 170 1 4 6 150 2A 5 20 100 16 170 2 150 20 100 7 100 55 120 488 520 100 70 100 55 16 7 50 100 50 210 60 1 2 2 3 60 155 95 20 205 100 20 205 450 20 155 20 100 60 95 300 75 143 150 14 75 143 100 16 142 2 3A 84 16 50 Bulong M20, L = 65 1 142 71 3 55 70 55 55 7 8 20 4 PL-320*142*12 6 liên k?t hàn 5 75 143 68 14 68 14 143 75 70 320 70 55 70 70 334 350 120 2A 150 170 16 84 100 520 70 730 100 8 7 210 60 300 142 (2x4)PL-410*142*10 300 Hình 2.1: Chi tiết liên kết bulong điển hình 1 8 71 12 1 2C 3 1 5 2 2 20 410 20 16 150 16 120 100 20 1C 6 1 100 150 520 488 10 145 10 15 16 145 10 150 25 65 150 185 185 185 488 520 170 150 10 150 70 170 65 35 16 12 Daàm I 520*300*16*12 4 7 2 75 75 150 100 125 20 125 205 100 205 75 20 75 2 150 450 3 220 220 80 12 80 80 60 170 25 60 60 170 25 60 334 8 350 60 8 35 80 35 60 5 1 4 7 142 16 142 300 220 7 410 6 60 20 142 75 175 125 125 175 170 290 142 16 150 75 75 750 60 300 80 150 60 20 75 150 Hình 2.2: Chi tiết liên kết bulong điển hình 2 80 13 1 35 488 520 10 25 54 165 75 150 290 175 71 75 75 350 16 2 1 16 1D 1 2 10 16 26 65 10 45 75 488 75 54 75 14 2 16 1 16 16 170 154 8 54 75 75 334 488 350 75 45 8 16 144 79 12 79 26 144 65 144 12 144 300 Hình 2.3: Chi tiết liên kết điển hình 3 2.3.1. Kiểm tra liên kết hàn theo Eurocode 3 2.3.1.1. Mối hàn góc - Khả năng chịu lực của mối hàn khi lực theo phƣơng dọc mối hàn PL Với 0,7slw pw s : bề dày mối hàn l w : chiều dài hữu hiệu của mối hàn, bằng chiều dài thực trừ đi đoạn dài s tại mỗi đầu mối hàn, lw l 2s , chiều dài hữu hiệu tối thiểu phải là 4s hoặc 40 moment pw : cƣờng độ tính toán của mối hàn góc 2.3.1.2. Mối hàn đối đầu Không cần tính toán khi cƣờng độ bền và cƣờng độ chảy của que hàn lớn hơn của thép cơ bản. Cƣờng độ mối hàn không thấu suốt bằng tiết diện chịu lực (chịu dài nhân với bề dày tính toán) nhân với cƣờng độ tính toán của thép cơ bản. 14 2.3.2. Kiểm tra liên kết bulong theo Eurocode 3 2.3.2.1. Khả năng chịu cắt của bulong Ps Với ps As ps : cƣờng độ cắt của bulong As : diện tích cắt của bulong 2.3.2.2. Khi mối nối dài quá 500mm ps As 5500 L1 5000 Ps ps As 9d 3d 3t p Ps ps As 8d 3d Tg Ps Với L1 : chiều dài mối nối 2.3.2.3. Bề dày bản thép t p 2.3.2.4. Bề dày bản thép Tg d /3 5d 2.3.2.5. Khả năng chịu ép của bulong - Khả năng chịu ép của thân bulong Pbb Với dt p pbb d : đƣờng kính thân bulong t p : bề dày của bản thép đƣợc liên kết pbb : cƣờng độ ép của thân bulong - Khả năng chịu ép của tấm thép Pbs Với kbs dtpbs 0,5kbs etpbs d : đƣờng kính thân bulong t : bề dày của cấu kiện thép đƣợc liên kết kbs : hệ số kể đến loại lỗ. Lỗ tiêu chuẩn kbs 1 pbs : cƣờng độ ép của bản thép e : khoảng cách từ tâm lỗ đến bản thép theo phƣơng truyền lực