luận văn NGHIÊN cứu về kết cấu KHUNG THÉP NHẸ có KHOÉT lỗ RỖNG

PHẦN 1 : MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
2. Mục đích nghiên cứu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
4. Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài.
PHẦN 2 : NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ KẾT CẤU KHUNG
THÉP NHẸ CÓ KHOÉT LỖ RỖNG.
1.1 KẾT CẤU KHUNG THÉP NHẸ CÓ KHOÉT LỖ RỖNG.
1.1.1 Sự cần thiết lỗ rỗng trong kết cấu thép.
1.1.2 Đặc điểm của lỗ rỗng trong kết cấu thép.
1.2 CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN KẾT CẤU KHUNG THÉP
NHẸ CÓ KHOÉT LỖ RỖNG.
1.2.1 Vật liệu sử dụng trong kết cấu khung thép nhẹ.
1.2.2 Các kiểu tiết diện khoét lỗ rỗng.
1.2.3 Ưu, khuyết điểm của kết cấu khung thép nhẹ có khoét lỗ rỗng.
1.2.4 Công nghệ chế tạo, lắp dựng.
1.3 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG KHUNG THÉP NHẸ CÓ KHOÉT LỖ
RỖNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM.
1.3.1 Trên thế giới.
1.3.2 Tình hình sử dụng, tiêu chuẩn thiết kế khung thép nhẹ ở Việt
Nam.

1


CHƯƠNG 2 : SỰ LÀM VIỆC KẾT CẤU KHUNG THÉP NHẸ CÓ
KHOÉT LỖ RỖNG.
2.1

CỘT THÉP TIẾT DIỆN RỖNG BẢN BỤNG.

2.1.1 Sự mất ổn định của cấu kiện chịu nén.
2.1.2 Chiều dài tính toán của cột thép tiết diện rỗng bản bụng.
2.1.3 Độ mảnh tương đương của cột thép tiết diện rỗng bản bụng.
2.1.4 Ổn định cục bộ của cột thép tiết diện rỗng bản bụng.
2.2

DẦM THÉP TIẾT DIỆN RỖNG BẢN BỤNG.

2.2.1 Tính toán dầm khoét lỗ ở bản bụng.
2.2.2 Ổn định của dầm khoét lỗ ở bản bụng.
2.2.3 Kiểm tra dầm khoét lỗ theo điều kiện biến dạng ( độ võng ).
2.3

CƠ SỞ TÍNH TOÁN KHUNG THÉP NHẸ RỖNG TỔ HỢP.

2.4

QUY TRÌNH TÍNH TOÁN KHUNG THÉP NHẸ RỖNG TỔ

2.5

GIẢ THUYẾT CƠ BẢN VÀ BỔ SUNG KHI TÍNH TOÁN

HỢP.

KHUNG THÉP NHẸ RỖNG TỔ HỢP.
2.5.1 Giả thuyết cơ bản.
2.5.2 Giả thuyết bổ sung với khung thép nhẹ có lỗ rỗng hình lục
giác.

CHƯƠNG 3 : KẾT CẤU KHUNG THÉP NHẸ CÓ KHOÉT LỖ RỖNG
HÌNH LỤC GIÁC.
3.1 MÔ HÌNH PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN.
3.2. PHÂN TÍCH THAM SỐ.

2


3.3. TỔNG KẾT CHƯƠNG.
CHƯƠNG 4 : VÍ DỤ TÍNH TOÁN.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO.

3


PHẦN 1 : MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Với tốc độ tăng trưởng của nền kinh tế Việt Nam, các ngành công
nghiệp và dịch vụ trong nước đang từng bước phát triển mạnh mẽ, để phù hợp
với nhu cầu phát triển ngày càng cao, công nghệ xây dựng của Việt Nam cũng
có những bước tiến mới trong quá trình hội nhập. Ngày nay có nhiều giải
pháp xây dựng hiện đại thay thế dần các phương pháp xây dựng truyền thống
để xây dựng những công trình hiện đại, quy mô lớn, thời gian thi công nhanh.
Đặc biệt do nhu cầu sử dụng không gian lớn, khẩu độ lớn ( nhà chứa máy bay,
nhà thi đấu thể dục thể thao, nhà biểu diễn ca nhạc, nhà triển lãm, khung nhà
cao tầng vượt nhịp lớn mà kết cấu bê tông cốt thép không khả thi…) ngày
càng nhiều, việc sử dụng kế cấu thép là hợp lý nhất. Tại Việt Nam công tác
thiết kế, gia công, chế tạo và lắp dựng các kết cấu thép trong hoạt động xây
dựng còn gặp rất nhiều thách thức trong việc quản lý chất lượng và tiết kiệm

chi phí. Qua một số công trình kết cấu thép nhịp lớn trong những năm gần đây
chúng ta có đúc kết được những kinh nghiệm để làm cơ sở áp dụng cho việc
thiết kế và xây dựng những công trình kết cấu thép đặc biệt. Nhưng những
công trình kết cấu khung thép nhẹ sử dụng thép tổ hợp tiết diện chữ I ( khung
thép tổ hợp nhà công nghiệp, nhà xưởng,…) có khoét lỗ rỗng ở bản bụng
chưa được sử dụng nhiều, và còn nhiều vấn đề chưa được nghiên cứu. Một
nghiên cứu tổng quan về ảnh hưởng của biến dạng cắt tới độ ổn định của kết
cấu khung tiết diện chữ I có khoét lỗ rỗng ở bản bụng là chưa có.
Nghiên cứu đánh giá xu thế và tính tất yếu của việc phát triển nhà thép
hiện đại trên thế giới, cũng như sự phát triển của nền công nghiệp ở Việt
Nam. Xuất phát từ thực tế có thể yêu cầu một số khung thép phải khoét lỗ

4


rỗng ở bản bụng để có lối đi, lắp đặt đường ống, đường dây dẫn điện hay tạo
dáng kiến trúc phức tạp, hiện đại. Ngoài ra, các cấu kiện khoét lỗ rỗng này
(tăng kích thước tiết diện sau khi lắp ghép) còn có thể giải quyết lợi ích kinh
tế trong khi thép trên thị trường ngày càng tăng hiện nay. Kết hợp với các cấu
kiện cơ bản thép chữ I ( cột, dầm,…) trong các công trình kết cấu thép và lợi
ích của kết cấu khung thép nhẹ tiết diện chữ I có khoét lỗ rỗng có thể áp dụng
để sử dụng được rộng rãi trong kết cấu khung thép tổ hợp trong các nhà công
nghiệp, nhà xưởng, kết cấu nhịp lớn và các công trình có kiến trúc đặc biệt.
Từ đó đặt ra mục tiêu nghiên cứu cho đề tài “Nghiên cứu sự làm việc của
kết cấu khung thép nhẹ có khoét lỗ rỗng ở bản bụng”
2. Mục đích nghiên cứu.
Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu khung thép nhẹ (xét khung phẳng)
có khoét lỗ rỗng ở bản bụng.
Nghiên cứu sự làm việc của hệ kết cấu mới có trọng lượng giảm nhẹ,
tăng khả năng vượt khẩu độ lớn (do trọng lượng bản thân nhẹ), tạo kiểu dáng

kiến trúc phức tạp, hiện đại, là giải pháp kỹ thuật mới trong lĩnh vực vật liệu
và công nghệ.
Tối ưu hóa được tiết diện, tổng kết rút ra được các đặc điểm chính, khả
năng chịu lực và vận dụng kết cấu khung thép nhẹ có tiết diện thép tổ hợp chữ
I trong kết cấu nhà công nghiệp cũng như công trình dân dụng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu khung thép
nhẹ có khoét lỗ rỗng ở bản bụng.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu khung thép
nhẹ (khung phẳng) có khoét lỗ rỗng ở bản bụng trong giai đoạn đàn hồi.

5


4. Ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài.
Với đề tài : “Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu khung thép nhẹ có
khoét lỗ rỗng ở bản bụng” tác giả muốn đưa ra một số thông tin hữu ích để
giải quyết vấn đề lớn, mới và khá phức tạp này.

PHẦN 2 : NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ KHUNG THÉP NHẸ
CÓ KHOÉT LỖ RỖNG Ở BẢN BỤNG.
1.1 KẾT CẤU KHUNG THÉP NHẸ CÓ KHOÉT LỖ RỖNG.
1.1.1 Sự cần thiết lỗ rỗng trong kết cấu thép.
Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn do vật liệu thép có cường độ cao,
độ tin cậy cao do cấu trúc thuần nhất của vật liệu, sự làm việc đàn hồi và dẻo
của vật liệu gần sát với các giả thuyết tính toán, trọng lượng nhẹ, tính công
nghiệp hóa cao, tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp. Ngoài ra, trong kết
cấu thép có những vị trí có thể có yêu cầu một vài cấu kiện phải khoét lỗ ở
bản bụng để lắp đặt đường ống kỹ thuật, đường dây dẫn điện, đường ống cấp

thoát nước… Hơn nữa những lỗ hở này làm giảm đáng kể trọng lượng bản
thân kết cấu. Những lỗ rỗng này có thể ở một số vị trí ở các cấu kiện khác
nhau, khoảng cách giữa các lỗ rỗng có thể cách đều nhau, có nhiều kiểu lỗ
rỗng khác nhau để phù hợp với mục đích sử dụng hay lắp ráp.
1.1.2 Đặc điểm của lỗ rỗng trong kết cấu thép.
Kích thước của lỗ rỗng trong kết cấu thép có vai trò quan trọng và phụ
thuộc vào kích thước mặt cắt ngang của chính cấu kiện kết cấu đó. Sự xuất
hiện của lỗ rỗng gây ra sự phân bố lại ứng suất trong kết cấu. Khi đó, tính đàn

6


hồi và tải trọng tới hạn của các cấu kiện kết cấu biến đổi khi khoét lỗ rỗng ở
bản bụng.
Khi trên bản bụng của cấu kiện có khoét lỗ sẽ làm thay đổi sự phân bố
ứng suất trên các tiết diện chịu uốn. Vùng gần lỗ, sự phân bố ứng suất khá
phức tạp và xuất hiện sự tập trung ứng suất. Ngoài tác dụng của mômen uốn
tổng thể, tiết diện tại vùng này còn chịu mômen phụ do lực cắt gây ra.
1.2 CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN KẾT CẤU KHUNG THÉP NHẸ CÓ
KHOÉT LỖ RỖNG.
1.2.1 Vật liệu.
Thép được sử dụng là loại thép cường độ cao, tương đương thép CT3
( Nga), CT38, CT42 có giới hạn chảy 2200 đến 2600 daN/cm2.
 Thép cường độ cao, hợp kim thấp Columbi-Vanadi.
 Chất lượng kết cấu thép theo tiêu chuẩn : ASTM A572/A572M,
A529 hoặc A992 Gr.50
Hiện nay trên thị trường thông dụng nhất là thép A572, sản phẩm thép
hình, thép tấm theo 5 cấp 42, 50, 55, 60, 65

(theo bảng 1.1), “nguồn

:www.dainamsteel.com”
1.2.2 Các kiểu tiết diện khoét lỗ rỗng.
Các giải pháp khoét lỗ là cắt bản bụng của cột và dầm thép tổ hợp chữ I
theo đường zíc zắc, sau đó chồng hai nữa lên nhau rồi hàn nối bằng đường
hàn đối đầu sẽ tạo nên cấu kiện có tiết diện lớn hơn tiết diện ban đầu. Các giải
pháp khác nhau của việc cắt và ghép bản bụng ( dạng của đường zíc zắc) tạo
thành các dạng khác nhau của lỗ khoét. Kích thước của lỗ rỗng trong kết cấu
thép nhiều dạng : hình tròn, tứ giác, lục giác… Đơn giản và phổ biến là các lỗ
rỗng phân bố đều, tiết diện và dạng lỗ đối xứng nhưng để đơn giản cho chế

7


tạo, cũng có thể dùng thép hình chữ T cho cánh dưới (hình ), cũng có thể dùng
bản nối bản bụng để tạo thành cột, dầm khoét lỗ có chiều cao lớn hơn (hình ),
hoặc đường cắt có dạng đường cong, bỏ bớt đi một phần bản bụng để sau khi
lắp ghép dạng lỗ cong trơn tru hơn.
Với chiều cao mới, tiết diện của cấu kiện khoét lỗ có các đặc trưng
kháng uốn: mômen quán tính I , mômen kháng uốn W, bán kích quán tính i…
lớn hơn nhiều so với tiết diện đặc ban đầu. Vì vậy với cùng một chi phí vật
liệu, khi sử dụng khoét lỗ có thể làm tăng khả năng chịu lực, giảm chuyển vị
(dầm), với cột khoét lỗ làm độ mảnh của cột thay đổi.
1.2.3 Ưu, khuyết điểm của kết cấu khung khoét lỗ rỗng.
Ưu điểm:
 Kết cấu nhẹ, khả năng vượt nhịp lớn.
 Giảm trọng lượng thép, tăng kích thước tiết diện khi cấu kiện có cùng

trọng lượng.
 Hình dạng kiến trúc của cột, dầm đa dạng, có thể tạo ra nhiều kiểu tiết

diện phức tạp phù hợp với mục đích sử dụng.
 Thuận lợi cho công tác lắp đặt hệ thống cấp thoát nước, điện..., tính

công nghiệp hóa cao.
 Đặc trưng chịu lực của tiết diện có lợi nhất, do khoét lỗ tại những vị trí
có lực cắt, mômen nhỏ nhất, sự phân bố vật liệu hợp lý nhất.
Nhược điểm:
 Giá thành chế tạo cao hơn so với kết cấu thép thông thường.
 Mặt tiếp xúc không khí lớn, dễ bị ăn mòn, chi phí phòng gỉ cao.

1.2.4 Công nghệ chế tạo và lắp dựng.

8


1.3

TÌNH HÌNH SỬ DỤNG, TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ KHUNG THÉP

NHẸ CÓ KHOÉT LỖ RỖNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM.
1.3.1 Trên thế giới.
Kết cấu khung thép tổ hợp chữ I có khoét lỗ rỗng ở bản bụng là một
bước phát triển trong ngành kết cấu thép. Chúng được sử dụng hơn 3500 dự
án trên các quốc gia : Anh, Mỹ, Australia, các tiểu Vương quốc Ả rập…
Một số công trình tiêu biểu trên thế giới:

Hình
1.10.
Công
trình:

Liverpool Porsche
Hình 1.11. Công trình: Holmes Place Fitness Club, Merton

9


Hình1.12. Macfarlane gruoplane Group, Trafford Park, Manchester

Hình 1.13.Công trình: Liverpool FC

10


Hình 1.14. Công trình: IFB Zeebrugge

Hình 1.15. Công trình: Stadium Huddersfield Town

11


Hình 1.16. Công trình: Churchill court, Manchester

Hình 1.17. Công trình: Spice Factory, Buckingham

12


Hình 1.18. Công trình: Lakeside Leisure Centre, Carnforth
1.3.2 Tình hình sử dụng, tiêu chuẩn thiết kế khung thép nhẹ ở Việt Nam.

Kết cấu thép có khoét lỗ rỗng ở bản bụng chỉ mới áp dụng cho kết cấu
dầm liên hợp một số công trình nhưng quy mô ứng dụng chưa lớn. Với kết
cấu khung nhà công nghiệp thì hầu như chưa sử dụng.
Hiện nay có nhiều tài liệu nói về tính toán độ bền và ổn định kết cấu
khung thép rỗng nhưng chỉ với kết cấu dụng bản nối, thanh nối, chưa có tiêu
chuẩn thiết kế cho kết cấu khung thép có khoét lỗ rỗng ở bản bụng.

13