Luận văn thạc sĩ xây dựng Hiệu quả khi thiết kế khung thép nhà công nghiệp xét đến độ đàn hồi của liên kết

i

LI CAM OAN

Tên tôi : Trần Xuân Hùng
Sinh ngy: 16 - 10 1984
Nơi sinh : Mai Sơn Sơn La
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và cha từng công bố trong bất kỳ công
trình nghiên cứu nào khác.

H nội, ngy 20 tháng 03 năm
2011
TC GI LUN VN

Trn Xuân Hùng


ii

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được hoàn thành tại Khoa sau đại học trường Đại học Kiến
tróc Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy gi¸o TS. Vò Quèc Anh.
T¸c giả xin bày tỏ lßng biết ơn s©u sắc đến thày gi¸o hướng dẫn TS. Vò
Quèc Anh đ· tận t×nh hướng dẫn, động viªn t¸c giả trong qu¸ tr×nh thực hiện
luận văn. T¸c giả ch©n thành cảm ơn sự gióp đỡ về vật chất và tinh thần của
Khoa Sau đại học và bộ m«n KÕt CÊu ThÐp, Trường đại học Kiến Tróc Hà Nội.
T¸c cũng xin bày tỏ lßng biết ơn đến gia đ×nh, đồng nghiệp và c¸c bạn học đ·
gióp đỡ, động viªn khÝch lệ để luận văn được hoàn thành đóng hạn.
Luận văn được thực hiện trong điều kiện tài liệu, phương tiện và kiến

thức của t¸c giả cßn nhiều hạn chế, phải bổ sung cập nhật dần, v× vậy chắc chắn
cßn nhiều thiếu sãt. T¸c giả rất mong nhận được nhiều ý kiến đãng gãp của thầy
gi¸o và c¸c bạn đồng nghiệp.

Hà néi, ngày 20 th¸ng 03 n¨m
2011
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Trần Xu©n Hïng


iii
MC LC
M U..........................................................................................................1
a)Kiểm tra tiết diện cột biên............................................................................41
b)Kiểm tra tiết diện cột giữa ...........................................................................44
c)Kiểm tra tiết diện dầm .................................................................................46
d)Kiểm tra tiết diện cột biên............................................................................48
e)Kiểm tra tiết diện cột giữa ...........................................................................51
f)Kiểm tra tiết diện dầm .................................................................................53
a)Kiểm tra tiết diện cột biên (phần tử 701)......................................................66
b)Kiểm tra tiết diện cột giữa ...........................................................................68
c)Kiểm tra tiết diện dầm .................................................................................71
a)Kiểm tra tiết diện cột biên (phần tử 701)......................................................73
b)Kiểm tra tiết diện cột giữa ...........................................................................76
c)Kiểm tra tiết diện dầm .................................................................................79
3.3.1.Tính toán liên kết chân cột trong bảng 3.2(liên kết cứng)......................86
Tính toán liên kết chân cột biên :....................................................................86
3.3.2.Tính toán liên kết chân cột trong bảng 3.12 (liên kết đàn hồi)...............89
Tính toán liên kết chân cột biên :....................................................................89

iv
Danh mục các bảng

Bảng 3.1. Nội lực trong khung khi liên kết giữa dầm-cột là liên kết cứng .........
39
Bảng 3.2. Nội lực trong khung khi liên kết dầm và cột là liên kết đàn hồi.........
46
Bảng 3.3. Tiết diện cột của hai phơng án..............................................................
53
Bảng 3.4. Tiết diện dầm của hai phơng án............................................................
54
Bảng 3.5. Tĩnh tải và hoạt tải ................................................................................
58
Bảng 3.6. Hệ số khí động .....................................................................................
60
Bảng 3.7. Tải trọng gió..........................................................................................
61
Bảng 3.8. Nội lực trong khung trục 5 với liên kết dầm cột là liên kết cứng
.................................................................................................................................
63
Bảng 3.9. Nội lực trong khung trục 5, liên kết dầm cột là liên kết đàn hồi
.................................................................................................................................
71
Bảng 3.10. Tiết diện cột của hai phơng án ...........................................................
79
Bảng 3.11. Tiết diện dầm của hai phơng án ........................................................
80

v
B¶ng 3.12. Néi lùc trong khung khi liªn kÕt dÇm – cét, cét – mãng lµ liªn
kÕt ®µn håi..............................................................................................................
83


vi
Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 Hình ảnh không gian nhà công nghiệp 2 tầng .....................................
4
Hình 1.2a Khung thép điển hình..........................................................................
5
Hình 1.2b Chi tiết liên kết đỉnh cột biên.............................................................
5
Hình 1.2c Chi tiết liên kết đỉnh cột giữa..............................................................
5
Hình 1.2d Chi tiết liên kết đỉnh dầm...................................................................
6
Hình 1.2e Chi tiết liên kết chân cột biên..............................................................
6
Hình 1.2f Chi tiết liên kết chân cột giữa...............................................................
6
Hình 1.3: Liên kết dầm vo cột v đặc điểm phân loại liên kết ........................
8
Hình 1.4: Quan hệ mô men-góc xoay một số liên kết bu lông phổ biến ............
10
Hình 2.1 Cấu tạo liên kết và mối quan hệ mô men-góc xoay tơng ứng..............
17

Hình 2.2 Liên kết đỉnh dầm và đáy dầm vào cột bằng thép góc ........................
17


vii
Hình 2.3 Chiều dài tĩnh của bulông .....................................................................
18
Hình 2.4 Liên kết kép đỉnh dầm và bản bụng dầm vào cột bằng thép góc ........
19
Hình 2.5 Liên kết bản bụng dầm và bản cánh dầm ............................................
20
Hình 2.6 Liên kết bản biên không mở rộng .........................................................
21
Hình 2.7 Liên kết bản biên mở rộng ...................................................................
22
Hình 2.8

Mối quan hệ Mômen-góc xoay cho liên kết bản biên mở rộng .......

23
Hình 2.9 Liên kết chịu uốn với với mặt bích không có bulông ngoài ..............
25
Hình 2.10 liên kết bằng tấm mặt bích nhô ra ngoài cánh dầm .........................
26
Hình 2.11 Liên kết bằng tấm mặt bích tụt vào trong cánh dầm ........................
30
Hình 2.12: Chi tiết các chân cột, liên kết với hai đến bốn bulông neo ...............
36
Hình 2.13. Bn vi 2 v 4 bu lông neo ...........................................................
37

Hình 3.1 Khung nhà thép 2 tầng 3 nhịp................................................................
38
Hình 3.2. Liên kết dầm và cột giữa ví dụ 1 ..........................................................
54
Hình 3.3. Liên kết dầm và cột biên ví dụ 1...........................................................
55


viii
Hình 3.4a Sơ đồ kết cấu nhà máy matsuo .........................................................
56
Hình 3.4b Mặt bằng, mặt cắt nhà máy matsuo ..................................................
57
Hình 3.5 : Sơ đồ gió tác dụng lên công trình........................................................
59
Hình 3.6 : Sơ đồ khung trục 5 ..............................................................................
62
Hình 3.7 : Liên kết dầm với cột giữa....................................................................
81
Hình 3.8. Liên kết dầm với cột biên.....................................................................
82
Hình 3.9 chi tiết chân cột biên..............................................................................
85
Hình 3.10 chi tiết chân cột giữa............................................................................
87
Hình 3.11 chi tiết chân cột biên............................................................................
89
Hình 3.12 chi tiết chân cột giữa............................................................................
91

1
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 xởng, 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 trờng rồi đợc mang đến lắp dựng tại các công trờng xây dựng. Tại
đây các cấu kiện rời rạc đó sẽ đợc lắp ráp lại với nhau bằng nhiều phơng pháp
liên kết nh 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 thờng giả thiết liên kết trong khung là liên kết cứng hoặc
liên kết khớp lý tởng. Giả thiết này giúp cho quá trình phân tích, thiết kế
đơn giản hơn nhng 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 nh vũ bão về khoa học và công nghệ, đặc biệt
là công nghệ chế tạo kim loại, cùng với các phơng pháp tính tiên tiến, việc
đa ra mô hình tính sát với sự làm việc thực của hệ kết cấu là cần thiết, đáp
ứng đợc các yêu cầu thực tế trong xây dựng hiện nay. Nghiên cứu khung
thép liên kết đàn hồi là một trong những hớng nghiên cứu mới, phù hợp
với xu hớng phát triển trong xây dựng kết cấu công trình bằng kim loại
hiện nay tại Việt Nam và trên thế giới.

2
Là một ngời đang làm công tác t 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
thờng lớn hơn so với thực tế. Khi giả thiết là liên kết cứng thờng bỏ qua độ
đàn hồi của liên kết, dẫn đến kết quả chuyển vị của khung thờng nhỏ hơn thực
tế, trái lại nội lực trong các tiết diện tại nút thờng có giá trị lớn hơn. Do đó tiết
diện dầm và kích thớc liên kết thờng 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 đợc nguyên vật liệu. Nh vậy việc xét tới liên kết đàn hồi
trong khung thép đa đến hiệu quả khi thiết kế khung.
* Mục đích nghiên cứu :
- Đa ra cách xác định hệ số đàn hồi của một số dạng liên kết thờng 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 đợc sự phân phối nội lực hợp lý cho khung thép nhà
công nghiệp.
- Từ nội lực và hệ số thu đợc đi bố trí cấu tạo liên kết phù hợp với thực tế.
* Đối tợng 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.

3
Chơng 1
Tổng quan về khung thép nhà công nghiệp
1.1. Giới thiệu chung
Trong giai đoạn mở rộng công nghiệp hoá trên toàn bộ đât nuớc hiện
nay kết cấu thép đợc sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng công
nghiệp.
Giá thnh kết cấu l một trong những mối quan tâm lớn trong xây
dựng nh công nghiệp bằng thép cũng nh mọi kết cấu thép dân dụng v
công nghiệp khác. Cùng với tiến bộ khoa học v công nghệ, lý thuyết v
phơng pháp tính dùng trong thiết kế kết cấu thép đã v đang đ ợc
nghiên cứu v phát triển. Trong kết cấu thép hiện đại, sự phân bố vật liệu
rất gần với trạng thái l m việc tối u v kinh tế. Với những phơng án
thiết kế mới v công nghệ chế tạo tiên tiến, các cấu kiện cơ bản nh dầm
v cột đợc chế tạo với chất l ợng cao v có trọng l ợng nhỏ hơn.
Trong kết cấu khung thép, liên kết giữa dầm v cột l liên kết cơ
bản tạo nên kết cấu khung, đóng vai trò hết sức quan trọng, đảm bảo sự
l m việc bình th ờng của khung, v ảnh h ởng rất nhiều đến khả năng
chịu lực, độ cứng, độ ổn định của ton hệ kết cấu. Việc chọn loại khung
thép phải dựa trên cơ sở hợp lý về kinh tế kỹ thuật, tr ớc hết căn cứ vào
kích thớc nhà, tải trọng cầu trục, các yêu cầu về công nghệ sản xuất, kể
cả những vấn đề liên quan đến cung cấp vật t, và thời gian xây dựng công
trình.


4
• Mét sè h×nh ¶nh vÒ nhµ c«ng nghiÖp khung thÐp 2 tÇng cña c«ng
ty TNHH XD TM DV Trung L©m () :

H×nh 1.1 H×nh ¶nh kh«ng gian nhµ c«ng nghiÖp 2 tÇng


5
• Mét sè h×nh ¶nh vÒ liªn kÕt chñ yÕu trong nhµ c«ng nghiÖp khung
thÐp :

H×nh 1.2a Khung thÐp ®iÓn h×nh.

H×nh 1.2b Chi tiÕt liªn kÕt ®Ønh cét biªn.

H×nh 1.2c Chi tiÕt liªn kÕt ®Ønh cét gi÷a..


6

Hình 1.2d Chi tiết liên kết đỉnh dầm.

Hình 1.2e Chi tiết liên kết chân cột biên.

Hình 1.2f Chi tiết liên kết chân cột giữa.
Trên đây giới thiệu sơ bộ về hình ảnh một dạng nhà công nghiệp đợc sử
dụng rất rộng rãi trong các nhà công nghiệp ở Việt Nam với tiết diện cột, dầm
chữ I. Phần sàn tầng trung gian ( mezzanine) có thể nằm ở một phần nhà hay


7
toàn bộ nhà, tuỳ thuộc vào công năng sử dụng của công trình. Toàn bộ các cấu
kiện, bộ phận đều đợc thiết kế và sản xuất đồng bộ tại nhà máy và đem ra lắp

dựng ngoài công trờng. Khi mang đến công trờng, chỉ cần thao tác lắp dựng để
tạo ra một công trình hoàn chỉnh. Nên dễ kiểm soát đợc chất lợng, mang tính
chuyên môn hoá cao, giảm thiểu đợc thời gian thi công công trình.
1.2. Liên kết đàn hồi trong thiết kế kết cấu khung thép trên thế giới :
1.2.1 Lịch sử nghiên cứu liên kết đàn hồi trong kết cấu khung thép:
Mô hình tính khung có xét đến độ đn hồi của liên kết tuy đã đợc
nghiên cứu từ khá lâu nhng còn gặp khó khăn khi đa vo thực tế, vì thiếu
phơng pháp cũng nh công cụ tính toán phù hợp. Khối lợng tính toán v
mức độ phức tạp sẽ tăng lên v rất khó sử dụng các phơng pháp tính toán
thủ công. Với việc các công cụ tính toán phát triển nhanh, đặc biệt l khả
năng phân tích xử lý của máy vi tính v các ngôn ngữ lập trình mạnh, trong
những năm gần đây cũng đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết
v thực nghiệm, tiếp cận các mô hình lm việc chính xác hơn cho khung thép.
Trong đó mô hình tính toán khung thép có liên kết đn hồi l một trong
những hớng phát triển đợc quan tâm trong phân tích v tính toán khung thép
hiện nay.
Những nghiên cứu khởi đầu về xác định độ đn hồi của liên kết đ ợc
tiến hnh tại ủy ban nghiên cứu kết cấu thép (Steel Structures Research
Committee) của Anh từ năm 1934. Cùng thời gian đó các nghiên cứu tơng tự
cũng đợc thực hiện tại Hội đồng nghiên cứu quốc gia Canađa [1]. Tiếp sau
l tại trờng Đại học Lehigh của Mỹ năm 1942 [33]. Các công trình nghiên
cứu thực nghiệm để xác định độ đn hồi của liên kết đã đợc nhiều tác giả
quan tâm, chẳng hạn: A. N. Sherbourne (1961), J.R. Bailey (1970), J. O.
Sturtee (1970), S. A. Ioannides (1978), P. Grudy (1980), N.D. Johnstone
(1981), Y. L. Yee (1984), D. B. Moore (1986), J. B. Davison (1987), [23].


8
Nh đã nói ở trên, dữ liệu thí nghiệm về đặc điểm ứng xử góc xoay-mô
men liên kết l rất nhiều, do đó việc phải xem xét tất cả các dữ liệu thử

nghiệm liên quan khi thực hiện phân tích đối với một kiểu liên kết riêng biệt
sẽ phức tạp. Vì vậy, cần thiết để xây dựng mô hình ứng xử cho các liên kết
riêng biệt dựa trên cơ sở dữ liệu sẵn có, nhằm mục đích mô phỏng đặc điểm
ứng xử thực của liên kết bằng các hm toán học. Trong kỹ thuật, đa số các kết
quả đợc thể hiện bởi một số dạng đờng cong thích hợp, dựa trên dữ liệu thí
nghiệm sẵn có của từng loại liên kết riêng biệt hoặc một số loại liên kết khác
nhau, nhằm có thể đại diện cho quan hệ ứng xử mô men - góc xoay của các
kiểu liên kết tơng ứng đó m không cần phải thực hiện quá trình xử lý các dữ
liệu thí nghiệm. Dựa trên kỹ thuật mô phỏng toán học, nhiều mô hình khác
nhau đã đợc đề xuất [7].
Đặc điểm ứng xử ny đợc thể hiện bởi đồ thị mô tả quan hệ mô men đầu
dầm (M) v góc xoay tơng đối liên kết dầm-cột (), (hình 1.3) :

Hình 1.3: Liên kết dầm vo cột v đặc điểm phân loại liên kết [7].
Nhiều mô hình để phân tích liên kết đn hồi đã đợc xây dựng trên cơ
sở xử lý các kết quả thí nghiệm, trong đó hai mô hình chính th ờng đ ợc sử
dụng để phân tích khung thép có liên kết đn hồi cần xét đến l:
Mô hình của Frye v Morris [20] đợc xây dựng dựa trên các kết
quả


9
nghiên cứu của 145 thí nghiệm về liên kết đn hồi từ năm 1936 đến năm
1975. u điểm của mô hình ny l dễ sử dụng, tuy nhiên còn cha xét hết
đợc các đặc tính chính của liên kết đn hồi.
Mô hình Kishi v Chen [25] đợc xây dựng dựa trên hơn 300 kết quả
thí nghiệm trên ton thế giới từ năm 1936 đến năm 1986, đ ợc chia l m bẩy
kiểu liên kết chính, xây dựng thnh bảng v lập ra ngân hng dữ liệu liên kết
(Steel Connection Data Bank). Các thông số chính của liên kết đn hồi trong
mô hình Kishi v Chen l: độ cứng ban đầu, mô men tới hạn, góc xoay dẻo

của liên kết. Mô hình ny hiện đang đợc sử dụng phổ biến để xác định các
đặc tính của liên kết đn hồi.
Hiện nay Tiêu chuẩn Châu Âu (Eurocode 3) đã cho phép xác định độ
đn hồi của liên kết bằng các công thức giới thiệu trong phần phụ lục [18].
Dựa vo các mô hình liên kết nói trên, hoặc tiêu chuẩn Eurocode 3, có thể xác
định đợc các đặc tính của liên kết đn hồi.
Nhng một trong những trở ngại hiện nay l cha có phơng pháp
phân tích v tính toán khung thép liên kết đn hồi thống nhất. Đặc biệt với
những bi toán phân tích về: ổn định, phi tuyến hình học, dao động của khung
thép liên kết đn hồi hiện nay thờng tính toán gần đúng bằng cách tách ra
từng phần tử dầm hoặc cột độc lập để tính. Do vậy kết quả đạt đ ợc chỉ l
gần đúng v tơng đối khó áp dụng trong thực tế thiết kế.
Tuy nhiên, nội dung phân tích chỉ đề cập đến liên kết riêng biệt v ch a có
phơng pháp cụ thể để ứng dụng vo bi toán phân tích kết cấu khung tổng thể .
Các vấn đề đã đợc nghiên cứu [7]:
*Nghiên cứu về đặc tính lm việc của liên kết nửa cứng:
-Thực nghiệm.
-Lý thuyết .
-Các mô hình, tiêu chuẩn .
*Nghiên cứu tính toán kết cấu có liên kết nửa cứng:
-Tính toán khung chịu tải trọng tĩnh lực (mô hình tuyến tính, mô hình phi
tuyến);


10
-Tính toán khung chịu tải trọng thay đổi (mô hình tuyến tính, mô hình
phi tuyến đn hồi);
- Tính toán khung chịu tải trọng động lực (mô hình tuyến tính, mô hình
phi tuyến đn hồi).
1.2.2. Một số phơng pháp phân loại liên kết đàn hồi :

Phơng pháp phân loại theo Bjorhovde :
Bjorhovde [28] đề xuất phơng pháp phân loại ny vo năm 1990, liên
kết đợc phân loại theo ba tiêu chí về độ bền, độ cứng, v độ mềm. Ph ơng pháp
ny có những ứng dụng thực tiễn cho việc thực hiện thiết kế khung đàn hồi
m không cần phải truy cập vo dữ liệu liên kết chi tiết, sử dụng thích hợp
cho những trờng hợp trong đó không biết rõ về chi tiết cấu kiện trớc khi thực
hiện thiết kế kết cấu.
Theo [7], nhóm tác giả Goto v Miyashita (1995) cho rằng phơng pháp
phân loại ny không thể cung cấp những thông tin hiệu quả về ứng xử tổng thể
của kết cấu khung. Tác giả Nethercot (1998) thì nói rằng việc phân loại liên kết
bởi phơng pháp ny có thể áp dụng cho trờng hợp liên kết lm việc bình thờng
v trờng hợp tới hạn. Foley v Vinnakota (1999) phát biểu thêm rằng phơng
pháp ny không thể đánh giá đối với các khung thép trong thực tế.
Theo [7], ngoi tác giả Bjorhovde, tác giả Szlendak năm 1996 đã phát
triển một phơng pháp phân loại thống nhất cho việc ứng dụng các loại liên kết
dầm-cột. Nhóm tác giả Goto v Miyashita năm 1998 cũng đã phát triển một
phơng pháp phân loại đối với các liên kết dầm-cột, có xét đến ranh giới giữa
liên kết cứng v nửa cứng. Mô hình liên kết đ ợc sử dụng cho phân loại ny l
một mô hình lũy thừa (hình 1.4).


11

H×nh 1.4: Quan hÖ m« men-gãc xoay mét sè liªn kÕt bu l«ng phæ biÕn [7]


12
Mô tả đặc điểm liên kết:
(1) Liên kết có 2 thép góc ở bụng
dầm

(2) Liên kết có tấm đầu dầm

(3) Liên kết có thép góc ở cánh trên
v dới

(4) Liên kết có thép góc ở cánh trên
& dới v hai bên bụng dầm
(5) Liên kết có tấm đầu mút v
không gân gia cờng
(6) Liên kết có tấm đầu mút v gân
gia cờng
(7) Liên kết dạng T-stub


13
Phơng pháp phân loại theo tiêu chuẩn Eurocode3
Tiêu chuẩn Eurocode 3 [18] cho phép tính gần đúng giá trị góc xoay,
cung cấp hình dạng v chi tiết các bộ phận cấu tạo liên kết một cách thuận lợi
hơn. Đồng thời cũng dự đoán đợc ứng xử tổng thể của liên kết. Các liên kết đợc phân loại theo hai tiêu chí về độ cứng v độ bền (không căn cứ theo độ
mềm), dựa trên cơ sở đánh giá đặc điểm ứng xử tổng thể của liên kết.
Phân loại theo độ cứng (hình 1.5):
Theo [7] chia thnh ba loại l: liên kết nút cứng, nút khớp v nút nửa
cứng, phụ thuộc vo độ cứng góc xoay của liên kết. Trong đó:
Liên kết nút khớp: l nút có khả năng truyền lực, khả năng truyền mô
men l bằng không hoặc không đáng kể để ảnh h ởng đến ứng xử chung của
hệ kết cấu.
Liên kết nút cứng: l nút có độ cứng góc xoay đủ để có thể phân tích nh
nút liên tục.
Liên kết nút đàn hồi: l nút có đặc điểm không thuộc nút khớp v nút
cứng. Nút đàn hồi có khả năng truyền lực v mô men.

14
Vùng 1: liên kết nút cứng .
Nếu Sj,ini kbEIb /Lb
ở đây:
kb = 8 đối với khung có giằng giảm đợc hơn 80% chuyển vị ngang.
kb = 25 đối với các loại khung khác,
trong đó ở mỗi tầng Kb /Kc 0,1.
Hình 1.5: Phân loại liên kết theo độ
cứng [7]
Kb l giá trị trung bình của Ib/Lb cho
tất cả các dầm tại các tầng trên.
Kc l giá trị trung bình của I c/Lc cho
tất cả các cột trong cùng một tầng.
Ib l mô men quán tính của dầm.
Ic l mô men quán tính của cột.
Lb l nhịp dầm (tính từ tâm đến tâm
cột).

Sj,ini l độ cứng liên kết ban đầu .
Vùng 2: liên kết nút đàn hồi.
Tất cả nút nằm trong vùng 2 sẽ đợc
phân loại l nút đàn hồi. Các nút
thuộc vùng 1 hoặc 3 cũng có thể đợc
xem l đàn hồi, tùy trờng hợp cụ thể.
Vùng 3: liên kết nút khớp .
Nếu Sj,ini 0,5EIb /Lb
Đối với khung có Kb /Kc < 0,1, các nút
sẽ đợc phân loại đàn hồi.

Lc l chiều cao cột.

1.2.3 Tiêu chuẩn các nớc cho phép thiết kế khung thép liên kết đn hồi :
Cách ứng xử đn hồi nhiều hay ít của liên kết đều ảnh h ởng đến sự
phân bố nội lực cũng nh mức độ biến dạng của dầm v cột, đến ổn định v
dao động của khung. Vì vậy phân tích khung thép liên kết đn hồi đã đợc
xét đến trong một số quy trình v tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép [1].
Do ý nghĩa thực tế v mô hình lm việc hợp lý của liên kết đ n hồi nên
mô hình tính toán khung thép có kể đến độ đn hồi của các liên kết đã đ ợc
đa vo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép ở một số nớc ngay từ những năm


15
60. Cụ thể sớm nhất l Tiêu chuẩn ấn độ IS 875-1964 [26], sau đó l Tiêu
chuẩn Anh BS 449 - 1969 [22], BS 5950 - 2000 [14], Tiêu chuẩn Đức DIN
18800 : 1990 [16], Tiêu chuẩn Australia AS 4100-1990 [11], Tiêu chuẩn Châu
Âu Eurocode 3 [18], Tiêu chuẩn Mỹ AISCLRFD 1999 [10]. Theo qui định
trong các tiêu chuẩn trên, độ đn hồi của liên kết đợc phép đa vo thiết kế
v tính toán cấu tạo khung thép. Mặc dù liên kết đn hồi đợc đa vo tiêu
chuẩn một số nớc, nhng vẫn cha có những qui định kỹ thuật về thiết kế
chi tiết, cũng nh phơng pháp tính cụ thể giúp các kỹ s có thể đa liên
kết đn hồi ứng dụng vo thực tế xây dựng [1].
Theo Tiêu chuẩn kết cấu thép Việt Nam TCVN 5575 : 1991 [2], liên kết
đn hồi vẫn cha đợc đề cập, cả về việc phân loại liên kết cũng nh
phơng pháp tính.
1.3 Liên kết đàn hồi trong kết cấu khung thép tại Việt Nam :
Nghiên cứu về liên kết đn hồi ở Việt Nam hiện nay có hai xu h ớng
chủ yếu [1] :
Tập trung vo việc xác định hệ số đn hồi cho các kiểu liên kết,

Phơng pháp phân tích nội lực v chuyển vị cho khung thép liên kết
đn hồi.
Theo hớng thứ nhất có các tác giả nh: Lu Nguyễn Nam Hải với việc
nghiên cứu liên kết bu lông chịu tác dụng đồng thời của mô men v lực cắt [5]
[28], [29], Nguyễn Trâm v các cộng sự [30] với phơng pháp luận để xác
định hệ số đn hồi của một số loại liên kết bu lông trong kết cấu thép . Trong
công trình nghiên cứu [9] các tác giả đã trình by phơng trình mô men-góc
xoay của phần tử thanh có liên kết đàn hồi phụ thuộc hệ số l tỷ số giữa độ
cứng thanh v độ cứng nút, sau đó thiết lập công thức liên hệ giữa nội lực v
chuyển vị ở hai đầu mút phần tử.
Theo hớng nghiên cứu thứ hai: phân tích nội lực v chuyển vị khung
thép liên kết đn hồi đã đợc nghiên cứu bởi các tác giả: Vũ Th nh Hải [6],


16
v Nguyễn Trâm [9]. Trong công trình nghiên cứu [1] mô phỏng liên kết đàn
hồi bằng lò xo không trọng lợng v có chiều di bằng không, thiết lập ma trận
độ cứng hình học phần tử dầm có liên kết đàn hồiqua việc đề xuất phơng pháp
dùng tải trọng dọc trục trong cột đạt đợc từ một phân tích tuyến tính để xác
định tải trọng dọc trục tới hạn v hệ số chiều d i ảnh h ởng của mỗi cột kết
cấu khung.
Phơng pháp tính đợc nghiên cứu của các tác giả trên chủ yếu dựa
vo phơng pháp giải tích v bán giải tích, có khả năng tự động hoá nhng
thuật toán còn phức tạp hoặc chỉ sử dụng có hiệu quả cho một số dạng kết cấu
khung nhất định, do vậy còn khó khăn trong việc lập chơng trình tính tổng
quát, mức độ ứng dụng phổ biến trong thực tế cha cao. Đặc biệt với các b i
toán ổn định, phi tuyến hình học v dao động cho khung thép liên kết đn
hồi, cha đợc xét đến.
Giáo trình kết cấu thép cho sinh viên ngnh xây dựng đã đề cập đến
cách xác định mô men dẻo của liên kết đn hồi khi tính khung thép, nhng

vẫn cha đa ra phơng pháp xác định nội lực v chuyển vị khung thép có
liên kết đn hồi [8]. ở Việt nam, cho đến nay vẫn cha có phơng pháp
phân tích v tính toán khung thép có liên kết đn hồi no đợc coi l hiệu
quả v tổng quát, cũng nh các qui định về việc phân loại v xác định hệ số
đn hồi cho các kiểu liên kết.

Chơng 2


17
Sự làm việc của nhà khung thép nhà công nghiệp
2.1. Các trạng thái của liên kết dầm cột
Dầm và cột trong khung thép thờng đợc liên kết bằng phơng pháp hàn
hoặc bắt bulông (thờng sử dụng bulông cờng độ cao) chịu mômen uốn ở hai
đầu dầm, độ biến dạng của liên kết xảy ra nhiều hơn hoặc ít hơn và đợc chi
phối theo độ xoay tơng đối nh trong Hình 2.1. Đối với các liên kết có các mặt
bích trên và dới của dầm hàn vào cột, trong khi bụng dầm liên kết với các cột
bằng bulông cờng độ cao hoặc cũng hàn (xem Hình 2.1(e)), giả định liên kết
cứng không có độ xoay tơng đối giữa dầm và cột có thể đợc áp dụng trong
phân tích khung. Đối với các liên kết mà bụng dầm chỉ đợc liên kết với cột
(đặc biệt là bằng bulông, xem Hình 2.1 (a), giả định liên kết bắt vít cho phép
có độ xoay tơng đối giữa dầm và cột có thể đợc sử dụng trong phân tích khung
do không đủ độ cứng xoay.
Các liên kết dầm - cột cứng các xử lý chống mômen tốt, nhng việc chế
tạo và lắp ráp các liên kết này là khá khó khăn. Cấu hình các liên kết bắt vít t ơng đối đơn giản, nhng độ cứng và khả năng hấp thụ năng lợng thấp, đó là bất
lợi cho thiết kế kháng chấn. Tuy nhiên, các liên kết dầm cột đàn hồi có sự kết
hợp giữa các liên kết cứng và liên kết bắt vít, và khi đợc sử dụng trong các
khung thép, thì cần đạt chỉ số kỹ thuật kinh tế tổng thể tốt. Việc xử lý các liên
kết đàn hồi rõ ràng ảnh hởng tới độ cứng và khả năng chịu tải của khung thép,
do vậy việc làm rõ mối quan hệ mômen và góc xoay và xử lý các liên kết

dầm cột đàn hồi là điểm mấu chốt trong các phân tích động tĩnh và thiết kế
khung thép có các liên kết đó.