Tài liệu Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích sự làm việc và hiệu quả kinh tế của dầm chịu uốn xiên có tiết diện chữ c cán nóng và z thành mỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHAN THANH HẢI PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC VÀ HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA DẦM CHỊU UỐN XIÊN CÓ TIẾT DIỆN CHỮ C CÁN NÓNG VÀ Z THÀNH MỎNG Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số : 60.58.20 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2013 Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Phạm Văn Hội Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Quang Viên Phản biện 2: TS. Huỳnh Minh Sơn Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 09 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay ở Việt Nam đã có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép TCXDVN 338:2005 nhưng vẫn chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép thanh thành mỏng. Trong phạm vi luận văn, tác giả tập trung nghiên cứu phân tích sự làm việc của dầm chịu uốn xiên tiết diện chữ C thép cán nóng và tiết diện chữ Z thép thanh thành mỏng và hiệu quả kinh tế của nó, là loại kết cấu phổ biến được dùng trong nhà công nghiệp. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu phương pháp tính dầm chịu uốn xiên tiết diện chữ C thép cán nóng theo TCXDVN 338 : 2005. - Nghiên cứu phương pháp tính dầm chịu uốn xiên tiết diện chữ Z thép dập nguội thanh thành mỏng theo tiêu chuẩn EUROCODE3. - Nghiên cứu hiệu quả kinh tế khi sử dụng dầm chịu uốn thép chữ C cán nóng và thép chữ Z thanh thành mỏng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu xà gồ thép chữ C cán nóng và thép chữ Z thanh thành mỏng. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu xà gồ áp dụng cho nhà công nghiệp ở Việt Nam. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu dựa theo tiêu chuẩn TCXDVN 338 - 2005 và theo tiêu chuẩn EUROCODE3. 2 - Thực hiện các ví dụ tính toán cụ thể dựa vào sự hổ trợ của chương trình tính trên Excel. 5. Bố cục đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận. Luận văn gồm 3 chương: Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VIỆC ÁP DỤNG DẦM CHỊU UỐN XIÊN TRONG CÔNG TRÌNH THÉP Chương 2. TÍNH TOÁN DẦM CHỊU UỐN XIÊN THEO TIÊU CHUẨN 338-2005 VÀ TIÊU CHUẨN EUROCODE3 Chương 3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VIỆC ÁP DỤNG DẦM CHỊU UỐN XIÊN TRONG CÔNG TRÌNH THÉP 1.1. XÀ GỒ CHỮ C TỪ THÉP CÁN NÓNG 1.1.1. Ưu điểm Với nhiều ưu điểm vượt trội: kết cấu chắc, khả năng chịu lực cao, sơn phủ khắp bề mặt dễ dàng để chống gỉ, đa dạng về hình dạng và kích thước, với chiều dài và kỹ thuật theo nhu cầu sử dụng của công trình, giá thành hạ xà gồ thép dạng hình C được rất nhiều công trình lựa chọn. Trước đây, xà gồ C chủ yếu làm từ phôi thép lá đen, hiện nay xu hướng các công trình đã sử dụng rất nhiều xà gồ C mạ kẽm có chất lượng, cường độ thép cao, chống ăn mòn. 1.1.2. Nhược điểm Chi phí sơn chống gỉ cao. Tiết diện thường dày. 1.1.3. Kích thước các định hình chính h - Chiều cao b - Chiều rộng cánh d - Chiều dày bụng t - Chiều dày trung bình của cánh R - Bán kính lượn trong r - Bán kính lượn cánh Zo - khoảng cánh từ trọng tâm đến mép ngoài Hình 1.1: Mặt cắt tiết diện xà gồ chữ C 4 1.2. XÀ GỒ CHỮ Z TỪ THÉP THANH THÀNH MỎNG 1.2.1. Lịch sử phát triển kết cấu thanh thành mỏng ở Việt Nam 1.2.2. Đặc điểm của xà gồ chữ Z thanh thành mỏng a. Ưu điểm - Giảm trọng lượng thép từ 25% đến 50% nên tiết kiệm thép. - Thi công lắp dựng nhanh, giảm thời gian tới 30%. - Hình dạng tiết diện đa dạng. - Tiêu chuẩn hóa và điển hình hóa các loại tiết diện. - Hình dạng tiết diện có nhiều ưu việt, tính thẩm mỹ cao. b. Nhược điểm - Giá thành chế tạo 1 đơn vị thép tạo hình nguội cao hơn thép cán nóng (đắt hơn 30%). - Chi phí phòng gỉ cao hơn. - Yêu cầu công nghệ cao hơn trong quá trình sản xuất, vận chuyển, bốc xếp, dựng lắp. - Thiết kế khó hơn vì cấu kiện làm việc phức tạp hơn.. c. Kích thước các tiết diện thông thường Hình 1.3: Một số loại tiết diện thanh thành mỏng 5 1.3. VIỆC CHẾ TẠO XÀ GỒ 1.3.1. Xà gồ thép chữ Z thanh thành mỏng a. Phương pháp và công nghệ chế tạo * Máy gấp mép, Máy ép khuôn, Máy cán trục lăn: * Giới thiệu một số loại máy cán xà gồ hiện đại: + Máy cán xà gồ C trọng lượng nhẹ Ameco-LC-PRF0: Máy cán xà gồ thay đổi cở tự động C/Z: b. Vật liệu thép sử dụng c. Các chú ý phòng gỉ 1.3.2. Xà gồ thép chữ C cán nóng a. Vật liệu thép sử dụng Theo TCXDVN 338 : 2005 có các loại thép như sau: * Thép cacbon thấp cường độ thường: * Thép cacbon thấp cường độ khá cao: * Thép cường độ cao: b. Các chú ý Vấn đề lớn nhất ở đây chính là phòng gỉ cho cấu kiện, bằng các biện pháp như dùng sơn chống gỉ, sơn lót lên bề mặt cấu kiện sau đó dùng lớp sơn phủ bề mặt ngoài để tạo thẩm mỹ. 6 CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN DẦM CHỊU UỐN XIÊN THEO TIÊU CHUẨN TCXDVN 338 : 2005 VÀ TIÊU CHUẨN EUROCODE3 2.1. TÍNH TOÁN XÀ GỒ THÉP CÁN NÓNG CHỮ C THEO TCXDVN 338 : 2005 2.1.1. Nguyên tắc thiết kế a. Các trạng thái giới hạn Tiêu chuẩn TCXDVN 338: 2005 quy định việc tính toán kết cấu thép theo phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH). - Trạng thái giới hạn 1: Khả năng chịu lực tối hậu - Trạng thái giới hạn 2: Trạng thái giới hạn sử dụng b. Các hệ số an toàn Khi tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn phải dùng các hệ số độ tin cậy sau: g M ; g Q ; g C . c. Các công thức tính toán theo các trạng thái giới hạn 2.1.2. Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán 2.1.3. Tải trọng và tác động Tải trọng và tác động để tính toán kết cấu thép được lấy theo tiêu chuẩn nhà nước “TCVN 2737: 1995 Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế”. a. Phân loại tải trọng Tùy theo thời gian tác dụng, tác dụng được chia thành tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời (dài hạn, ngắn hạn và tải trọng đặc biệt). b. Tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán 7 c. Tổ hợp tải trọng d. Biến dạng cho phép của kết cấu Độ võng của cấu kiện chịu uốn không được vượt quá giới hạn cho phép như sau: + Xà gồ mái tấm tôn nhỏ: L/150 + Xà gồ mái tôn múi và các tôn khác: L/200 L là nhịp của cấu kiện chịu uốn. 2.1.4. Khả năng chịu lực của tiết diện chữ C làm xà gồ mái Xà gồ là cấu kiện chịu uốn xiên nên tiết diện thường dùng là thép cán chữ C (vì có độ cứng tương đối lớn theo cả hai phương). Thông thường dùng xà gồ đơn giản. Gọi q là tải trọng tác dụng trên xà gồ do tĩnh tải và hoạt tải mái thì q= (g + gcxago.ng) g= (pc.np+ g mc .n ).d cos a (1.6) (1.7) Phân tích q thành hai phần qy và qx gây uốn quanh hai trục x-x và y-y (hình 1.1): qy gây uốn quanh trục x-x , qx gây uốn quanh trục qx = q.sin a ; qy = q. cos a . y-y. (1.8) Do xà gồ có độ cứng quanh trục y-y là nhỏ nên người ta thường cấu tạo hệ giằng xà gồ bằng thép tròn f =18~22mm. Trị số mômen uốn Mx và My: Mx= q y .B 2 8 , (1.9) Kiểm tra bền theo công thức : s =s x +s y = Mx My + £ f. g c , Wx W y (1.10) 8 Khi kể đến sự phát triển biến dạng dẻo thì: s= My Mx + £ f .g c . 1,12.Wx 1,2.W y (1.11) Độ võng D của xà gồ kiểm tra theo công thức: 2 D æ D ö æ Dy = ç x ÷ + çç B è B ø è B ö ÷÷ ø 2 éDù £ê ú, ëBû (1.12) D y 5.q cy .B 3 é D ù = 1 D x 5.q xc .B 3 = và = ;ê ú Trong đó: B 384.E.l y B 384.E.l x ë B û 200 Ngoài ra, cần kiểm tra xà gồ chịu tải trọng gió, hệ số khi động trên mặt mái lớn nhất Ce= - 0,7( khi gió thổi vào đầu hồi nhà, áp dụng cho nhà có tỉ số H1 £ 1 ), tải gió có chiều theo trục y-y(vuông L góc với mặt mái) nên chỉ gây uốn quanh trục x-x. Vì tải gió ngược chiều với tĩnh tải nên khi tính tải gió vào xà gồ cần phải trừ đi thành phần qy của tĩnh tải mái (hệ số độ tin cậy 0,9): qgió = Ce.Wo . k . n. Mgió= q gió .B 2 8 d c - 0,9.( g mc .d + g xago ).cos a ; cos a ; Mqx= M gió M qx q x .B 2 ;s = + £ f .g c ; (1.14) 32 Wx Wy Với xà gồ có một thanh giằng ở giữa: D x = 0; Dy = c 5.q gió .B 3 (1.13) éDù £ ê ú. 384, E.l x ë B û 9 2.2. TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN THÉP THANH THÀNH MỎNG THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE3 2.2.1. Trạng thái giới hạn về cường độ 2.2.2. Trạng thái giới hạn sử dụng a. Chuyển vị b. Dao động 2.2.3. Tính chất của vật liệu và mặt cắt a. Vật liệu - Bề dày của phần tử khi tính toán theo EC3 nằm trong giới hạn: 1.0mm ≤ tcor≤ 8.0mm (2.6) b. Mặt cắt 2.2.4. Tính toán bề rộng hữu hiệu a. Phần tử phẳng không có sườn tăng cứng * Với trạng thái giới hạn về cường độ * Trường hợp ứng suất nén s com , Ed = f yb / g M 1 : lp = f yb s cr = b p 12(1 - v 2 ) f yb t p 2 Eks = 1,052 bp f yb t Eks Nếu l p £ 0,673 : r = 1,0, (1,0 Nếu l p >0,673: r = (2.14) (2.15) 0,22 ) lp lp Giá trị r tính theo (2.16) luôn <1. * Trường hợp ứng suất nén s com, Ed < f yb / g M 1 : (2.16) 10 Cách 1: Tính như phần a nhưng thay l p thành l p,red , với: l p ,red = s com , Ed = lp s cr / g M 1 s com, Ed f yb / g M 1 (2.17) Cách 2: Tính toán r như sau: Tính l p như (2.14) và l p,red như (2.17) Nếu l p ,red £ 0,673 : r = 1,0 (2.18) Nếu l p ,red > 0,673 : r= 1 - 0,22 / l p ,red l p ,red + 0.18 l p - l p ,red l p - 0,6 £ 1,0 (2.19) * Với trạng thái giới hạn sử dụng: Việc tính toán hoàn toàn như trên, chỉ thay giá trị lực s com,Ed thành s com , Ed , ser được tính toán ứng với các tổ hợp tải trọng ứng với trạng thái sử dụng và hệ số an toàn riêng g M 1 = 1 . b. Phần tử phẳng với sườn biên tăng cứng * Lý thuyết chung Độ cứng của liên kết đàn hồi được tính cho chiều dài 1 đơn vị theo công thức : K = u/ d (2.20) Trong đó: d là chuyển vị của sườn tăng cứng khi chịu tác dụng của lực u. khi u = 1 thì K = 1/ d . Xem hình 2.4. 11 Hình 2.4: Xác định độ cứng liên kết - Tính toán độ cứng Cq ứng với bụng chữ C hay Z với chiều cao hw: Cq = Et 3 4hw (2.21) - Chuyển vị d với tiết diện chữ C hay Z tính theo công thức : d = qb p + ub 3p 12(1 - v 2 ) x 3 Et 3 Với θ = ubp /Cθ (2.22) (2.23) * Phần tử phẳng với sườn biên tăng cứng t t (be 2 + t )t (Ceff + ) + (Ceff ) 2 2 2 y= (be 2 + t )t + Ceff t * Cách tính tổng quát (2.24) 12 Tiết diện ban đầu Bước 1: Tiết diện hữu hiệu ban đầu Giả thiết: s com, Ed = f yb / g M 1 , K =∞ Kết quả: ceff, As Bước 2: Tính s cr ,s dựa theo As đã tính ở trên Kết quả: s cr ,s , c Tính As dựa trên cf yb / g M 1 đã tính ở trên Kết quả: As Tính tred dựa trên Kết quả: tred = c đã tính ở trên ct Bước 3: Lặp lại bước 2, tính với tiết diện giảm yếu đã tính ở trên. Tính tới khi c n » c n-1vàc n £ c n-1 thì lấy c n , tred = c n t Bước 4: Tính các đặc trưng hình học dựa vào tiết diện vừa tính được. Hình 2.7: Quy trình tính tiết diện hữu hiệu của cánh nén chữ C, Z 13 * Cách tính đơn giản hóa - Tính be2,ceff như trong bước 1 ở trên. - Tính Is ứng với be2 và ceff như bước 2 ở trên. - Hệ số giảm tiết diện c = 0,5 nếu: Is ³ 0,31(0,15 + h / b p )( f yb / E ) 2 (b p / t ) 3 As2 - Hệ số giảm tiết diện c = 1,0 nếu : Is ³ 4,86(0,15 + h / b p )( f yb / E 2 )(b p / t ) 3 As2 - Diện tích tiết diện hữu hiệu của vùng tăng cứng: As,red = c As. - Bề dày mới của vùng As : tred = c t. * Bề rộng hữu hiệu của bản bụng không có sườn tăng cứng trung gian khi ứng suất nén thay đổi tuyến tính Hình 2.8: Mặt cắt ngang hữu hiệu của bản bụng - Bề rộng hữu hiệu ban đầu: Seff,1 = 0,95t Seff,n =1,5seff,1 E g M 1s com,ed (2.25) (2.26) - Nếu seff,1 + seff,n ³ sn , toàn bộ bụng là hữu hiệu, khi đó lấy: 14 Seff,1 = 0,4Sn (2.27); Seff,n = 0,6Sn (2.28) - Tính lặp cho tới khi các giá trị tiết diện hữu hiệu của bản bụng tính được không khác nhau nhiều tức là ec và et không đổi. 2.2.5. Kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện khi chịu mômen uốn. + Trường hợp môđun chống uốn tiết diện hữu hiệu Weff tính với vùng nén nhỏ hơn môđun chống uốn với tiết diện toàn bộ Wel: Mc,Rd = fyWeff/ g M 1 (2.29) + Trường hợp môđun chống uốn tiết diện hữu hiệu Weff tính với vùng nén bằng môđun chống uốn với tiết diện toàn bộ Wel: Mc,Rd =fya/ g M 0 (2.30) - Khi tiết diện chịu tác động của cặp mômen My,sd và Mcz,sd thì việc kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện tính theo công thức: My,Sd/Mcy,Rd + Mz,Sd/Mcz,Sd £ 1 (2.31) 2.2.6. Kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện khi chịu mômen uốn và lực nén M y , Sd + DM y , Sd M z ,Sd + DM z , Sd N Sd + £1 + f y Aeff / g M fy fy eff , y ,com / g M eff , z ,com / g M - M y ,Sd + DM y ,Sd M z ,Sd + DM z ,Sd y vec N Sd + + £1 f y Ag / g M f y g f g / / eff , y ,ten M y eff , z ,ten M (2.32) (2.33) 2.2.7. Kiểm tra tiết diện khi chịu uốn, xoắn, nén kết hợp 2.2.8. Kiểm tra ổn định tổng thể- cường độ chịu oằn bên do uốn - xoắn Mb,Rd = c LT Weff f yb / g M 1 (2.57) 15 2.3. KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA XÀ GỒ TIẾT DIỆN C, Z THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE 3 2.3.1. Phân tích trạng thái chịu lực của xà gồ mái dạng chữ C, Z Hình 2.10: Phân tích trạng thái chịu lực và sơ đồ tính 2.3.2. Sơ đồ tính Hình 2.11: Sơ đồ tính qh,Fd = khqFd (2.59) * Tính toán độ cứng đàn hồi trên đơn vị dài K: 1 4(1 - v 2 )h 2 (h + e) h 2 = + K CD Et 3 (2.60) 1 1 / C D , A + 1 / C D ,C (2.61) CD = 16 2.3.3. Xác định các nội lực kiểm tra 1 M y ,Sd = q Fd L2 (2.67) ; 8 M fz ,Sd = b R M 0, fz ,Sd (2.68) 2.3.4. Kiểm tra khả năng chịu lực a. Kiểm tra bền Với cách liên kết với tôn: s max, Ed = Với cánh tự do: s max, Ed = M y , Sd Weff , y + M y , Sd Weff , y M fz , Sd W fz £ f y / g M (2.69) £ f y / g M (2.70) b. Kiểm tra ổn định cánh nén tự do 1 æç M y , Sd c çè Weff , y ö M fz , Sd ÷+ £ f yb / g M 1 ÷ W fz ø (2.71) c. Kiểm tra khả năng chịu lực theo TTGH về sử dụng Độ võng lớn nhất của xà gồ được xác định như sau: D éDù £ L êë L úû éDù êë L úû : Độ võng cho phép của xà gồ; L: Nhịp xà gồ Chữ C: D = I fic = I gr - 5q Fd L3 q Fd L3 ; Chữ Z: D = 384 EI fic 128 EI fic s gr s (I gy - Is ,eff ) (2.76) 17 CHƯƠNG 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN 3.1. VÍ DỤ 1: TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA XÀ GỒ MÁI TIẾT DIỆN CHỮ Z THÉP THANH THÀNH MỎNG DẬP NGUỘI THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE 3 Số liệu đầu vào: Mái lợp tôn, bước khung 4,5m, độ dốc mái 150. Chọn xà gồ: Z180x70x20x3 có các đặc trưng hình học sau: h = 180mm gxago = 7,89daN/m b = 70mm A = 10,05cm2 t = 3mm E = 210000N/mm2 c = 20mm v = 0,3 4 Iy = 492,61cm fy = 250N/mm2 Hình 3.1. Tiết diện điển hình của xà gồ Z 3.1.1. Sơ đồ tính - Xác định qh, Fd: Tính độ cứng đàn hồi trên đơn vị dài K theo công thức (2.66) 1 4(1 - v 2 )h 2 (h + e) h 2 = + = 89,73 K min Et 3 390 1 K= = 0,01114 N/mm/mm 89,73 kh = 702.180.3 35 = 0,06 4.492,61.10000 180 Vậy theo (2.59) ta có qh,Fd = kh.qFd 18 - Tính Ifz: Tính với tiết diện toàn bộ cánh chịu nén + 1/6 chiều cao bảng bụng, dựa vào công thức sức bền vật liệu ta có: Các mômen quán tính: Ify = 287574m4; Ifz = 592900mm4 - Tính R theo công thức: R= KL4a 0,01114.4500 2 = = 0,406 p 4 EI fz p 4 .210000 .592900 3.1.2. Tính toán tiết diện hữu hiệu khi chịu mômen uốn quanh trục y-y a. Tính tiết diện hữu hiệu của cánh chịu nén - Sơ đồ tính: - Xác định be1, be2: Trường hợp ứng suất nén s com, Ed = f yb / g M 1 : => l p = f yb s cr = b p 12(1 - v 2 ) f yb t p Eks 2 = 1,052 bp f yb t Eks = 0,548 l p £ 0,673 : r = 1,0, => be1 = be2 = bp/2 = 64/2 = 32mm - Xác định ceff ban đầu: Ta có bp,c/bp = 17/64 = 0,2656 < 0,35 => ks = 0,5 => l p = 1,146 > 0,63 => r = 0,705 => ceff = r bp,c = 0,705.17 = 11,98mm