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.


19

Phương pháp này có thể tạo thanh dài tới 6m rộng 250-500 mm, dày tới
16mm. Bằng cách di chuyển dải thép theo chiều dài, có thể làm thanh dài tới
12m, tất nhiên với các sai lệch về kích thước tiết diện, về ñộ phẳng của mặt. ðể
tạo ñược một tiết diện, cũng phải nhiều nguyên công: mỗi lần ép chỉ tạo ñược
một góc. Do ñó năng suất thấp, khó cơ giới hóa toàn bộ.
Ưu ñiểm của phương pháp: Thay thế các khuôn tạo hình giá rẻ, có thể tạo
ñược nhiều hình dạng. Có lợi khi sản xuất hàng loạt nhỏ, ñặc biệt hay ñược dùng
ñể chế tạo các cấu kiện không ñiển hình.
c. Máy cán trục lăn.
ðây là loại máy năng suất cao, dùng ở các nhà máy luyện kim, nhà máy sản
xuất hàng loạt lớn. Máy gồm một dãy các trục cán, có hình dạng khác nhau. Dải
thép ñi qua các trục cán dần dần ñược thay ñổi hình dạng. Có thể cán ñược thép
dày 0,3 ñến 18 mm, rộng 20 ñến 2000mm. Tốc ñộ cán 10 ñến 30m/phút.
Loại máy này có năng suất cao, sử dụng ít nhân công mỗi năm có thể sản
xuất hàng triệu mét cấu kiện. Tuy nhiên mỗi bộ trục cán chỉ dùng một loại tiết

diện muốn ñổi tiết diện thì phải thay ñổi trục cán, thực tế là thay cả một dây
chuyền mới, do ñó giá thành cao. Hiện nay ở Việt Nam bên cạnh các máy cán
lớn của Công ty nước ngoài nhiều công ty nhỏ trong nước cũng ñã có nhiều máy
cán, sản xuất hàng loạt tiết diện thành mỏng, ống có mối hàn ñể sử dụng trong
xây dựng. Các máy cán hiện ñại ñược ñiều khiển theo chương trình, thao tác trên
các dữ liệu truyền từ máy tính ñến ñể ñảm bảo chính xác và năng suất cao.
1.3.4. Các dạng cấu kiện tạo hình nguội.
Các dạng tiết diện thành mỏng hết sức phong phú, ña dạng:
Bằng cách tạo hình nguội, có thể tạo từ tấm thép mỏng tiết diện hình bất kỳ.
Tiết diện ñược chia ra loại hở như chữ C, chữ Z, chữ L, chữ U và loại kín như
ống, hộp. Hàn các tiết diện ñơn với nhau có thể tạo nên tiết diện phức hợp. Bề
dày của tiết diện là không ñổi, trừ một số chỗ có bề dày gấp ñôi do gập bản thép
lại. Cấu kiện dạng thanh dùng làm kết cấu chịu lực chính như cột, khung hoặc
cấu kiện phụ như xà gồ, dầm tường. Các thanh riêng lẻ có thể ghép với nhau tạo


20

nên kết cấu rỗng như dàn. Cấu kiện dạng tấm dùng ñể làm tấm sàn, panel mái
hay panel tường. Kích thước các tiết diện uốn nguội ñược tiêu chuẩn hóa tại một
số nước sử dụng loại kết cấu này.

Hình 1.1. Tiết diện ñơn hở.

Hình 1.2. Tiết diện ghép hở.

Hình 1.3. Tiết diện ghép kín


21

.
Hình 1.4. Tiết diện dùng cho cấu kiện chịu nén, kéo

Hình 1.5. Tiết diện dầm và một số cấu kiện chịu uốn khác

Hình 1.6. Các loại tấm mỏng uốn nguội thông dụng làm sàn, mái và tường.


22

1.3.5. Một số ñặc ñiểm ñặc biệt của thanh thành mỏng.
a. Sự cứng nguội.
Khi bị gia công nguội, thép có hiện tượng cứng nguội, tăng giới hạn chảy,
tăng giới hạn bền, giảm ñộ dãn. Sự tăng cường ñộ này diễn ra không ñều trên
tiết diện, tùy thuộc vào dụng cụ uốn nguội.
b. Ứng suất dư.
Khi bị gia công nguội, thép bị biến dạng. Chính sự biến dạng ñó làm cho
trong thép tồn tại ứng suất, gọi là ứng suất dư. Ứng suất dư luôn tự cân bằng trên
toàn tiết diện.
1.3.6. Ưu, khuyết ñiểm của kết cấu thanh thành mỏng.
a. Ưu ñiểm.
-

Giảm lượng thép từ 25-50%, về lý thuyết có thể giảm nhiều hơn nữa

nhưng sẽ kèm theo khó khăn tốn kém về chế tạo và không còn kinh tế nữa.
-

Lắp dựng nhanh, ví dụ giảm thời gian chế tạo máy và lắp ráp ñến 30%

ñối với mái nhà, ñối với các cấu kiện có các thanh và nút thống nhất hóa như
dàn mái không gian thì thời gian còn giảm nhiều hơn nữa.
-

Hình dạng tiết diện ñược chọn lựa ña dạng theo yêu cầu.

-

ðặc trưng chịu lực của tiết diện là có lợi, do sự phân bố vật liệu hợp lý,

nhất là khi dùng tiết diện kín.
-

Dùng tiết diện kín tạo vẻ ñẹp kết cấu, bớt che lấp diện tích kính lấy ánh

sáng.
b. Khuyết ñiểm.
-

Giá thành thép uốn nguội cao hơn thép cán nóng.

-

Chi phí phòng gỉ cao hơn, vì bề mặt của tiết diện thép lớn hơn nên cần

nhiều diện tích phủ bảo vệ.
-

Việc vận chuyển, bốc xếp, lắp dựng tuy nhanh chóng nhưng ñòi hỏi

những biện pháp và phương tiện riêng vì cấu kiện dễ bị hư hại.
-

Việc thiết kế khó khăn vì sự làm việc phức tạp của cấu kiện. Tiết diện

cấu kiện ñược chọn lựa tự do nên không có bảng tính toán sẵn.


23

1.3.7. Phạm vi ứng dụng của kết cấu thanh thành mỏng.
Phạm vi ứng dụng có lợi của kết cấu thanh thành mỏng phụ thuộc vào các
ñiều kiện cấu tạo (chế tạo, phòng gỉ, …), ñiều kiện chịu lực (tải trọng, tính năng
vật liệu…), các chỉ tiêu kinh tế, ñiều kiện sử dụng và yêu cầu thẩm mỹ.
Phân biệt hai phạm vi sử dụng chính của thanh thành mỏng:
-

Nhóm 1: các bộ phận kết cấu chịu lực.

-

Nhóm 2: các chi tiết và bộ phận kiến trúc.

Nhóm 1: gồm các kết cấu chịu lực làm hoàn toàn bằng thanh thành mỏng
hoặc thanh thành mỏng kết hợp với vật liệu khác như thép cán nóng, bê tông, gỗ.
Kết cấu thanh thành mỏng ñược áp dụng trong các loại dàn mái nhà, các cấu
kiện thứ yếu làm kết cấu bao che như xà gồ, dầm tường, xà gồ rỗng nhịp tới 12m,
khung nhà dân dụng và công nghiệp, dàn mái không gian, vỏ mỏng.
Nhóm 2: gồm các bộ phận và chi tiết khuôn cửa, cánh cửa các loại, cổng, các

cấu kiện của tường bao che, vách ngăn di ñộng, cầu thang, cửa trời, và các kết
cấu tương tự. Các cấu kiện nhóm này ñược áp dụng trong các nhà dân dụng, nhà
kho, nhà xưởng, chuồng trại, nhà triển lãm, các công trình tháo lắp….
Sử dụng thanh thành mỏng ñương nhiên giảm nhẹ trọng lượng kết cấu, tiết
kiệm vật liệu nhưng không hẳn có ý nghĩa là kinh tế hơn. Không thể lấy tiêu chí
tiết kiệm vật liệu làm tiêu chí duy nhất. Tiết diện thanh thép uốn nguội ñắt hơn
thép cán nhiều (có thể tới 30%) do phải dùng thép tấm mỏng cán nóng và gia
công uốn nguội. ðể sử dụng hợp lý thép uốn nguội, cần xem xét các yếu tố như
sau:
1. Việc sản xuất các thanh thành mỏng ñược thực hiện với số lượng lớn,
ñược dùng lặp lại cho nhiều kết cấu. Dùng loại tiết diện ñược sản xuất với số
lượng lớn rẻ hơn nhiều so với loại tiết diện ñược làm riêng lẻ số lượng ít.
2. Giảm trọng lượng kết cấu thường làm tăng giá thành chế tạo. Giảm
giá thành chế tạo bằng cách dùng dây chuyền và thiết bị hiện ñại, cơ giới hóa
cao.