Báo cáo nghiên cứu khoa học: " THIẾT LẬP QUY TRÌNH TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN CỘT THÉP THÀNH MỎNG, CHỮ I, CÁNH RỖNG THEO TIÊU CHUẨN AS-1538 (ÚC)" pdf

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
1
THIẾT LẬP QUY TRÌNH TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN CỘT THÉP THÀNH
MỎNG, CHỮ I, CÁNH RỖNG THEO TIÊU CHUẨN AS-1538 (ÚC)
ESTABLISHMENT OF A CALCULATING PROCESS FOR THE HOLLOW
FLANGE BEAM COLUMN SECTION IN ACCORDANCE WITH AS-1538
STANDARD (AUSTRALIA)

Huỳnh Minh Sơn
Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT
Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thiết lập quy trình tính toán tiết diện cột thép thành
mỏng chữ I, cánh rỗng theo tiêu chuẩn thiết kế AS-1538 của Úc. Các cấu kiện lựa chọn áp
dụng quy trình là cột chịu nén trung tâm và cột chịu nén-uốn trong khung nhà công nghiệp nhẹ
sử dụng loại tiết diện đặc biệt HFB (Hollow Flange Beam) định hình chế tạo theo công nghệ
của Úc. Quy trình tính toán này có ý nghĩa trong điều kiện Việt Nam chưa ban hành tiêu chuẩn
thi
ết kế thép thành mỏng. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy việc ứng dụng các kết cấu
tiết diện HFB vào thực tế xây dựng Việt Nam.
ABSTRACT
The article presents the result of a study on the establishment of a calculating process
for the hollow flange beam column section concerning Australian Standard (AS-1538). The
selected samples are centre-compressed columns and flexure-compressed columns in the
frame structure of industral buildings that used a special hollow flange beam section made in
accordance with Australian Standard. This process is useful in the Vietnamese conditions in
which a standard for this thin-wall steel structure design has not been issued. The result of this
study aims to contribute to the application of the hollow flange beam structure to the real
construction works in Vietnam.

1. Đặt vấn đề

Tiết diện chữ I, cánh rỗng, thép thành mỏng chế tạo theo công nghệ của Úc
(Hollow Flange Beam - viết tắt là HFB) kết hợp được lợi ích của tiết diện chữ I với tiết
diện rỗng nên có nhiều ưu việt có khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế không chỉ ở
dạng dầm HFB chịu uốn mà còn có thể ứng dụng trong các cột chịu nén và chịu nén
trung tâm. Trong điều kiện chúng ta chưa ban hành tiêu chuẩn thiết kế thép thành mỏng,
tạo hình nguội đồng thời chưa có nhiều nghiên cứu ứng dụng về loại kết cấu có tiết diện
đặc biệt này, việc thiết lập quy trình tính toán cột HFB theo tiêu chuẩn AS-1538
(Australian Standard - Cold-formed Steel Structure) có ý nghĩa thiết thực đóng góp tài liệu
hướng dẫn tính toán thiết kế ứng dụng công nghệ mới vào thực tế xây dựng Việt Nam.
2. Nội dung
2.1. Tính toán khả năng chịu lực của tiết diện HFB (xem Hình 1)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
2
2.1.1. Tính toán khả năng chịu mômen
- Từ ứng suất cho phép (F
bx
), (F
by
) ta tính được mômen uốn cho phép:
+ Theo trục x-x: M
x
= F
bx
. Z
xc
(1)
+ Theo trục y-y: M
y
= F
by

. Z
yc
(2)
F
bx
; F
by
: Ứng suất cho phép của cánh theo trục x-x và y-y tính theo
3.3.2-AS1538,
+ F
bx
= min (F,F
box
) (3)
+ F
by
= min (F,F
boy
) (4)
F: Ứng suất cho phép của tiết diện.
F = 0,6f
y
khi không kể đến sự tăng
cường độ do uốn nguội
F = 0,6f
ya
khi kể đến sự tăng cường
độ do uốn nguội.
F
box

; F
boy
: Ứng suất cho phép ở cánh
cột theo trục x-x; y-y đảm bảo ổn
định tổng thể:
F
box
= (0,55-0,1 khi F
ox
 f
y
(5) và F
boy
=(0,55-0,1 khi F
oy
 f
y
(6)
F
box
=(0,95-0,5 ).F
y
khi F
ox
f
y
(7) và F
box
=(0,95-0,5 ).F
y

khi F
ox
f
y (
8)
f
y
: Giới hạn chảy của thép;
f
ya
: Giới hạn chảy của thép có kể đến
sự tăng cường độ do uốn nguội
F
ox
; F
oy
Ứng suất tới hạn đàn
hồi của tiết diện HFB theo trục x-
x;y-y.
Z
xc
, Z
yc
: Mômen chống uốn
hữu hiệu theo trục x-x;y-y tra bảng
đặc trưng hình học tiết diện HFB
Sử dụng chương trình HFB-
DS2008 có thể tính được mômen uốn
cho phép như Bảng 1; Đồ thị 1.
- Chiều dài tính toán L

e
càng
lớn mômen uốn cho phép càng giảm
chứng tỏ ổn định tổng thể ảnh hưởng
rất lớn đến khả năng chịu tải trọng
của cấu kiện HFB. Do đó cần thiết

Hình 1. Tiết diện hữu hiệu cột HFB
Bảng 1

Đồ thị 1. Mômen uốn cho phép tiết diện HFB
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
3
phải thiết kế liên kết hạn chế chuyển vị ngang của cánh tức là giảm chiều dài tính toán
L
e
để tăng mômen uốn cho phép cho cấu kiện.
2.1.2. Tính toán khả năng chịu nén
- Từ ứng suất nén cho phép (F
a
), ta tính được lực nén cho phép: P
a
= F
a
. A (9)
+ Theo trục x-x: P
ax
= F
ax
.A

+ Theo trục y-y: P
ay
= F
ay
.A
A: Diện tích tiết diện thô của tiết diện.
F
a
: Ứng suất nén cho phép tính theo (10)




F
ax
;F
ay
: Ứng suất nén cho phép theo trục x-x; y-y trong cột tương ứng với ứng
suất tới uốn dọc Euler F
cr
=F
ox
(theo L
ex
) hoặc F
cr
= F
oy
(theo L
ey

)
Sử dụng chương trình HFB-DS2008, tác giả tính được lực nén cho phép như Bảng 2,3
và Đồ thị 2,3.

Bảng 4. Hệ số chiều dài tính toán cột HFB
B
ản
g
2 –
Đ
ồ th
ị
2. L
ự
c nén cho
p
hé
p
theo
x
-
x
Bảng 3 – Đồ thị 3. Lực nén cho phép theo
y
-
y
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
4
2.2. Thiết lập quy trình tính toán cột tiết diện HFB theo AS-1538 (Úc)
2.2.1. Quy trình tính toán cột HFB chịu nén trung tâm

Khi trong cột chỉ có lực nén trung tâm, chọn số hiệu tiết diện thoả các điều kiện
về bền, ổn định.
a) Bước 1: Xác định chiều dài tính toán
L
ex
= k
ex
.L (11) L
ey
= k
ey
.L (12)
L: Chiều dài hình học của cấu kiện chịu nén.
k
ex
;k
ey
Hệ số chiều dài tính toán tra bảng 4

b) Bước 2: Xác định nội lực
Tính toán lực nén tính toán P
w
do tải trọng
c) Bước 3: Chọn số hiệu tiết diện
Dựa vào khả năng chịu nén của cột HFB tra bảng 2 và 3, chọn tiết diện có lực
nén P
min
 P
w
.

d) Bước 4: Kiểm tra bền
- Tính nội lực tính toán trong cột P (kể đến trọng lượng cột w
o
tra bảng tiết diện
HFB định hình): P = P
w
+ w
o
.L
- Kiểm tra bền: P  P
min
= min (P
ax
;P
ay
) (13)
e) Bước 5: Kiểm tra ổn định tổng thể
- Dầm HFB đối xứng kép nên mất ổn định chủ yếu do uốn dọc:
P  P
cr
= min (P
ox
;P
oy
) (14)
P
ox
; P
oy
: Lực nén tới hạn Euler:

P
ox
= (15); P
oy
= (16)
I
x
,I
y
: Mômen quán tính tiết diện thô theo trục x-x và trục y-y tra bảng tiết diện
HFB định hình
E : Môđun đàn hồi của thép. E = 200.10
3
Mpa.
2.2.2. Quy trình tính toán cột HFB chịu nén-uốn (khung nhà công nghiệp nhẹ)
Khi cột khung có mômen và lực nén, chọn số hiệu tiết diện thoả các điều kiện về
bền và ổn định:
a) Bước 1: Xác định chiều dài tính toán L
ex
; L
ey
tính theo (11) và (12)
L
ex
= k
ex
.L L
ey
= k
ey

.L
L: Chiều dài hình học của cấu kiện chịu nén-uốn.
k
ex
;k
ey
Hệ số chiều dài tính toán của cấu kiện chịu nén-uốn tra bảng
b) Bước 2: Xác định nội lực
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
5
Tính toán lực nén P; mômen m
x
; m
y
do tải trọng gây ra
c) Bước 3: Chọn số hiệu tiết diện
Dựa vào khả năng chịu nén của cột HFB tra Bảng 1 chọn tiết diện có lực nén
thiết kế P
a
 P.

d) Bước 4: Kiểm tra bền
Điều kiện bền chịu lực nén:
- Tính nội lực tính toán trong cột P (kể đến trọng lượng cột w
o
tra bảng tiết diện
HFB định hình) P = P
w
+ w
o

.L
- Kiểm tra bền: P  P
min
= min (P
ax
;P
ay
)
Điều kiện bền chịu mômen:
- Tính lại mômen trong cột m
x
; m
y
(kể đến trọng lượng cột w
o
tra bảng tiết diện
HFB định hình) w = w
s
+ w
o
.L
- Tra Bảng 1 M
x
( ứng với L
ex
) và M
y
(ứng với L
ey
) theo số hiệu vừa chọn.

- Kiểm tra bền: m
x
 M
x
; m
y
 M
y

e) Bước 5: Kiểm tra tác dụng đồng thời của lực dọc và mômen uốn
Áp dụng 3.7.1-AS-1538: Quy định kiểm tra ứng suất đồng thời chịu nén-uốn như sau:
+ Khi : (17)
+ Khi > 0,15: (18)
f
a
: Ứng suất nén do tải trọng gây ra.
f
bx
, f
by
: Ứng suất nén do tải trọng gây ra theo trục x-x hay y-y
F
a
: Ứng suất nén cho phép của tiết diện tính theo (10)
F
bx
, F
by
:Ứng suất cho phép trong bản cánh. F
bx

= F
by
= 0,6.F
y

Viết lại dưới dạng công thức chứa các giá trị nội lực P, m
x
và m
y
, ta được:
- Khi < 0,15: (19)
- Khi >0,15: (20)
P : Lực nén trung tâm tính toán do tải trọng gây ra.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
6
P
a
: Lực nén trung tâm cho phép tính theo (9)
m
x
; m
y
:Mômen uốn
theo trục x-x và trục y-y do
tải trọng gây ra.
M
x
; M
y
: Mômen cho

phép theo trục x-x; y-y tính
theo (2.4),(2.5) hoặc tra
Bảng 1
C
mx
, C
my
: Các hệ số
mômen tính theo 1.4.1.4-
AS1538. Sử dụng HFB-
DS2008 tính được ở Bảng 5
P
ox
; P
oy
: Lực nén tới
hạn Ơle tính theo các công
thức (15)(16):
f) Bước 6: Kiểm tra
Ổn định tổng thể
- Cột HFB đối xứng
kép nên mất ổn định chủ yếu
do uốn dọc kiểm tra theo
(11)
P  P
cr
= min (P
ox
;P
oy

)
P
ox
; P
oy
: Lực nén tới hạn tính theo các công thức Euler (15);(16)
2.3. Xây dựng chương trình tính toán cột HFB theo AS-1538
- Chương trình HFB-DS2008 được xây dựng trên ngôn ngữ VISUAL BASIC
6.0 là ngôn ngữ lập trình hiện đang được ứng dụng khá phổ biến vì có những ưu việt và
thuận tiện cho người sử dụng, giao diện chương trình gọn, đẹp, cho phép nhập và xuất
số liệu các bài toán theo mục tiêu tính toán.
- Chương trình gồm 04 menu chính:
+ Các bảng tra tiết diện HFB định hình
+ Tính toán chọn tiết diện cột HFB
+ Kiểm tra bền tiết diện cột HFB
+ Kiểm tra ổn định tổng thể cột HFB
- Phần nhập số liệu đầu vào được thực hiện ngay trong các menu tính toán trực
tiếp trên các cửa sổ giao diện của mỗi bài toán. Các số liệu đầu vào có thể thay đổi trực
tiếp thông qua các giao diện của các Menu Display. Nếu kết quả không đạt yêu cầu cho
phép trở về các form nhập lại dữ liệu để tính lại các bài toán. Nếu kết quả đạt yêu cầu sẽ
cho phép xuất dữ liệu dưới dạng file text.
Bảng 5. Hệ số mômen uốn Cm
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
7
- Phần xuất kết quả
hiển thị ngay trên cửa sổ giao
diện của mỗi bài toán đồng
thời lưu dưới dạng các file
text (*.txt). Chương trình hỗ
trợ đồ hoạ minh hoạ kết quả

tính toán. Xem sơ đồ khối
Hình 2
3. Kết luận
Thiết lập được các
công thức tính toán nội lực
cho phép trong các cấu kiện
chịu uốn và nén trung tâm tiết
diện HFB
Xây dựng được các
bảng tra nội lực và tải trọng
cho phép khi chịu mômen
uốn và chịu nén trọng đối với
09 số hiệu HFB định hình
theo công nghệ của Úc.
Thiết lập được quy
trình tính toán cột HFB chịu
nén trung tâm; chịu nén -uốn
theo AS -1538 .
Xây dựng được
chương trình tính toán cấu
kiện HFB-DS2008 làm công
cụ tính toán ứng dụng công
nghệ kết cấu thép thành
mỏng, tiết diện chữ I, cánh
rỗng vào thực tế xây dựng Việt Nam.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Huỳnh Minh Sơn - Nghiên cứu sự làm việc và ứng dụng dầm thép cánh rỗng HFB -
Luận văn Thạc sỹ - ĐH Xây dựng - 2003.
[2] Huỳnh Minh Sơn, Phạm Văn Hội - Nghiên cứu áp dụng dầm thép cánh rỗng HFB

theo công nghệ Úc - Kỷ yếu Hội thảo khoa học Quốc gia "Kết cấu thép trong Xây
dựng" - Hà Nội 12/2004.
[3] Huỳnh Minh Sơn - Tính toán khả năng chịu lực của cột thép cánh rỗng HFB theo
Hình 2. Sơ đồ khối chọn tiết diện cột HFB
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
8
tiêu chuẩn thiết kế của Úc - Tạp chí khoa học công nghệ Đại học Đà Nẵng số 2/6-
2004.
[4] Đoàn Định Kiến - Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội - NXB Xây
dựng – 2005.
[5] Australian Standard - Cold-formed Steel Structure, Australia –1988
[6] Dempsey, R.I - Hollow Flange Beam Member Design Manual - Palmer Tube
Technologies - 1993.
[7] Key P.W and Hancock, G.J – A Theoretical Investigation of the Column Behaviour
of Cold-formed Square Hollow Sections – Thin-walled Structructure – 1993.
[8] Ings, N.L and Trahair, N.S – Beam and Column Buckling under Directed Loading -
Journal of Structural Engineering – 1987.
[9] Hancock, Gregory - Desigh of cold-formed Steel structures to Australian/New
Zealand Standard (AS/NZS:4600) – Australian Institute of Steel Construction
1998.