Thạc Sĩ Hiệu quả khi thiết kế khung thép nhà công nghiệp xét đến độ đàn hồi của liên kết

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NĂM 2011

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP 3
1.1. Giới thiệu chung 3
1.2. Liên kết đàn hồi trong thiết kế kết cấu khung thép trên thế giới : 7
1.2.1 Lịch sử nghiên cứu liên kết đàn hồi trong kết cấu khung thép: 7
1.2.2. Một số phương pháp phân loại liên kết đàn hồi : 10
1.2.3 Tiêu chuẩn các nước cho phép thiết kế khung thép liên kết đàn hồi : 13
1.3 Liên kết đàn hồi trong kết cấu khung thép tại Việt Nam : 14

CHƯƠNG 2: SỰ LÀM VIỆC CỦA NHÀ KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP 16
2.1. Các trạng thái của liên kết dầm – cột 16
2.1.1. Tính toán độ đàn hồi của liên kết theo cách thức cấu tạo liên kết [21] 17
2.1.2. Tính toán độ đàn hồi của liên kết theo tiêu chuẩn EUROCODE 3 24
2.1.2.a. Đối với một nút dầm – cột chữ T hoặc chữ thập, liên kết bằng tấm mặt bích nhô ra ngoài cánh dầm : 26
2.1.2.b Đối với liên kết dầm – cột chữ T hoặc chữ thập, liên kết bằng tấm mặt bích tụt vào trong cánh dầm : 30
2.2. Cách thức cấu tạo chân cột 35

CHƯƠNG 3: CÁC VÍ DỤ TÍNH TOÁN 38
3.1.Ví dụ 1 38
3.1.1. Tính toán khung với liên kết cứng thông thường: 38
3.1.2. Tính toán khung có xét đến độ đàn hồi của liên kết : 45
3.1.3 Tính toán và cấu tạo liên kết : 54
3.2.Ví dụ 2: 56
3.2.1. Tính toán khung với liên kết cứng thông thường: 63
3.2.2. Tính toán khung có xét đến độ đàn hồi của liên kết : 71
3.3. Ví dụ 3: 82
3.3.1.Tính toán liên kết chân cột trong bảng 3.2(liên kết cứng) 84
3.3.2.Tính toán liên kết chân cột trong bảng 3.12 (liên kết đàn hồi) 87
3.4. Nhận xét 91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài :
Cùng với vật liệu bê tông cốt thép, Thép là loại vật liệu quan trọng bậc nhất trong xây dựng ở Việt Nam hiện nay. Đặc biệt trong các năm gần đây, việc sử dụng thép đã phát triển nhanh chóng, thay thế cho bê tông cốt thép trong phần lớn nhà xưởng, nhà nhịp lớn cột ăng ten, tháp cao, bể chứa, dàn khoan
Kết cấu thép đựơc gia công thành các cấu kiện rời trong nhà máy hoặc ngoài công trường rồi được mang đến lắp dựng tại các công trường xây dựng. Tại đây các cấu kiện rời rạc đó sẽ được lắp ráp lại với nhau bằng nhiều phương pháp liên kết như liên kết hàn, liên kết đinh tán, liên kết bu lông. Phụ thuộc vào yêu cầu chịu lực của hệ kết cấu mà bằng nhiều cách khác nhau ta sẽ có những cách cấu tạo các nút liên kết khác nhau.
Trong thiết kế kết cấu thép truyền thống, để mô hình hoá sự làm việc của kết cấu thường giả thiết liên kết trong khung là liên kết cứng hoặc liên kết khớp lý tưởng. Giả thiết này giúp cho quá trình phân tích, thiết kế đơn giản hơn nhưng nó dẫn đến những dự đoán thiếu chính xác về ứng xử của liên kết nói riêng và toàn hệ kết cấu nói chung. Sự làm việc thực tế của hệ kết cấu thông qua các kết quả thí nghiệm cho thấy các liên kết trong khung bằng bu lông và ngay cả liên kết hàn đều có độ đàn hồi nhất định. Hiện nay, sự phát triển như vũ bão về khoa học và công nghệ, đặc biệt là công nghệ chế tạo kim loại, cùng với các phương pháp tính tiên tiến, việc đưa ra mô hình tính sát với sự làm việc thực của hệ kết cấu là cần thiết, đáp ứng được các yêu cầu thực tế trong xây dựng hiện nay. Nghiên cứu khung thép liên kết đàn hồi là một trong những hướng nghiên cứu mới, phù hợp với xu hướng phát triển trong xây dựng kết cấu công trình bằng kim loại hiện nay tại Việt Nam và trên thế giới.
Là một người đang làm công tác tư vấn thiết kế, tôi chọn nghiên cứu đề tài “Hiệu quả khi thiết kế khung thép nhà công nghiệp xét đến độ đàn hồi của liên kết” bởi việc nghiên cứu cách ứng xử đàn hồi của liên kết có hiệu quả rõ ràng trong thực tế. Khi thiết kế khung thép không xét tới độ đàn hồi của liên kết sẽ không phản ánh đúng sự làm việc của khung và nội lực của các cấu kiện thường lớn hơn so với thực tế. Khi giả thiết là liên kết cứng thường bỏ qua độ đàn hồi của liên kết, dẫn đến kết quả chuyển vị của khung thường nhỏ hơn thực tế, trái lại nội lực trong các tiết diện tại nút thường có giá trị lớn hơn. Do đó tiết diện dầm và kích thước liên kết thường lớn hơn so với yêu cầu. Khi ứng dụng liên kết đàn hồi vào khung thì sẽ có sự phân bố lại mô men trong dầm làm cho mô men lớn nhất trong dầm sẽ giảm đi. Nói một cách khác việc áp dụng liên kết đàn hồi vào thực tế sẽ đảm bảo độ an toàn cấu kết cấu cao hơn khi dự đoán sự ứng xử của khung chính xác hơn, bên cạnh đó việc nội lực trong khung giảm sẽ tiết kiệm được nguyên vật liệu. Như vậy việc xét tới liên kết đàn hồi trong khung thép đưa đến hiệu quả khi thiết kế khung.
* Mục đích nghiên cứu :
- Đưa ra cách xác định hệ số đàn hồi của một số dạng liên kết thường gặp trong thực tế xây dựng tại Việt Nam.
- Khảo sát sự làm việc của khung thép với các liên kết đàn hồi có độ cứng khác nhau để tìm được sự phân phối nội lực hợp lý cho khung thép nhà công nghiệp.
- Từ nội lực và hệ số thu được đi bố trí cấu tạo liên kết phù hợp với thực tế.
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu :
Nghiên cứu sự làm việc của khung thép nhà công nghiệp có xét tới liên kết đàn hồi, dầm và cột tiết diện chữ I đặc có hình dạng định hình hoặc thép tổ hợp, liên kết dầm cột có cấu tạo kiểu liên kết bu lông. Vật liệu thanh ở các phần tử dầm và cột làm việc trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính. Liên kết trong các nút là liên kết đàn hồi.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Vũ Quốc Anh (2003), “Nghiên cứu phương pháp phân tích và tính toán khung thép với các liên kết đàn hồi”, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Kiến trúc Hà Nội, Hà Nội.
2. Bộ xây dựng (1991), Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế, TCVN 5575:1991, Nxb Xây dựng, Hà nội 2000.
3. Bộ xây dựng (1995), Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế, TCVN 2737:1995, Nxb Xây dựng, Hà nội 2004.
4. Phạm Minh Hà, Đoàn Tuyết Ngọc, (2009), Thiết kế khung thép nhà công nghiệp một tầng, một nhịp, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội.
5. Lưu Nguyễn Nam Hải (2002), “Kiểm tra liên kết thép – bulông dạng đàn hồitheo Eurocode 3”, Tạp chí xây dựng –Bộ xây dựng (10/2002),
tr.33-35.
6. Vũ Thành Hải (1994), “Phân tích kết cấu có liên kết mềm phi tuyến”, Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị khoa học - công nghệ kết cấu xây dựng lần thứ III, Hà nội 11-1994, tr. 219-224.
7. Nguyễn Quốc Hùng (2010), “phân tích khung thép phẳng có xét đến độ mềm của liên kết, chịu tải trọng thay đổi lặp có chu kỳ”, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Viện khoa học công nghệ xây dựng, Hà Nội
8. Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư, Đoàn Ngọc Tranh, Hoàng Văn Quang (1998), Kết cấu thép 2 – công trình dân dụng và công nghiệp, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
9. Nguyễn Trâm, Phạm Văn Hội, Đoàn Tuyết Ngọc (1997), “Phần tử nút tổng quát trong phân tích khung thép theo phương pháp số”, Tuyển tập công trình hội nghị cơ học toàn quốc lần thứ VI, pp 181-184.
10. American Institute of Steel Construction (1999), LRFD Specification for Structural Steel Buildings, Chicago, Illinois, USA.
11. Australian Standards (1990), Australian Standard Steel Structure AS 4100-1990, Published by Standards Australia, Standards House, 80 Arthur St, North Sydney NSW.
12. Bijlaard, F. S. K.: Rekenregels voor het ontwerpen van kolomvoetplaten en experimentele verificatie. Rapport No. BI-81-51/63.4.3410, IBBC-TNO, Delft 1982.
13. Bjorovde, R., Colson, A.& Brozzet, J.(1990). “Classification System for Beam-to-Column Connections”. J.Struct.Engrg.ASCE.
14. British Standard Institution (2000), BS 5950 : 2000 Structural use of steelwork in building, British Standards Publishing Limited, UK.
15. DeWolf J. T, Sarisley E. F.: Column Base Plates with Axial Loads and Moments. Journal of the Structural Division ASCE, Vol. 106, No. ST11, 1980, pp. 2167-2185.
16. DIN Deutsches Institut Fur Normung E. V – German National Standard (1990), Structure steelwork – Design and construction, Cologne, Germany.
17. Ermopoulos J. Ch., Stamatopoulos G.N., Owens G.W.: Influence of support conditions on the behaviour of steel frames. in Steel Structures -Eurosteel 95, Kounadis ed., Balkema, Rotterdam 1995, pp. 211-217. (209).
18. European Committee for Standardization (1998), Eurocode 3 ENV 1993-1-1:1992/A2:1998, Brussels.
19. prEN-1993-1-8, Eurocode 3, Design of Steel Structures -General rules and roles for buildings, Part 1.8 -Joint design. Stage 49, CEN, Brussels 2003, p. 130.
20. Frye. M. John, Morris. A. Glenn (1975), “Analysis of flexile connected steel frames”, Canada Journal of Civil Engineering, Vol.2, (3), pp 280 – 291.