Nghiên cứu tính toán cấu kiện hợp kim nhôm chịu nén uốn (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

TRẦN QUANG HUY

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN
CẤU KIỆN HỢP KIM NHÔM CHỊU NÉN UỐN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
----------------------

TRẦN QUANG HUY
KHÓA: 2015 – 2017

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN
CẤU KIỆN HỢP KIM NHÔM CHỊU NÉN UỐN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. ĐOÀN TUYẾT NGỌC

Hà Nội – 2017


LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới tất cả các thầy cô
trong Khoa sau đại học – Trường đại học kiến trúc Hà Nội vì những giúp đỡ
và chỉ dẫn nhiệt tình trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm
luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn cô giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS.
Đoàn Tuyết Ngọc đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn, cũng như tạo điều
kiện thuận lợi, cung cấp tài liệu cho tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn
thành luận văn.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp lớp 15X4-VL đã
đồng hành và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện
luận văn.

Hà Nội, ngày 25 tháng 04 năm 2017
Tác giả

Trần Quang Huy

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả, số liệu
trong luận văn là trung thực và chưa từng có ai công bố trong bất kì đề tài
nghiên cứu nào.
Hà Nội, ngày 25 tháng 04 năm 2017
Tác giả

Trần Quang Huy


MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Danh mục các kí hiệu
Danh mục các hình ảnh
Danh mục các bảng
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU HỢP KIM NHÔM ................... 4
1.1.Giới thiệu chung về kết cấu hợp kim nhôm ...................................... 4
1.2.Ưu và nhược điểm của kết cấu hợp kim nhôm ................................. 5
1.3.Phạm vi áp dụng ................................................................................. 6
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CẤU KIỆN HỢP KIM NHÔM
CHỊU NÉN UỐN. ....................................................................................... 26
2.1 Vật liệu và các dạng hợp kim nhôm ................................................ 26
a. Vật liệu ............................................................................................. 26
b. Các dạng hợp kim nhôm ................................................................... 27
2.2. Sự làm việc và tính chất cơ lý của hợp kim nhôm ......................... 28
2.2.1. Sự làm việc ................................................................................. 28
2.2.2. Tính chất cơ lý của hợp kim nhôm .............................................. 28
a. Theo Eurocode 9 ............................................................................... 28

b. Theo TCVN Việt Nam 1659 – 75 ..................................................... 39
2.3. Phương pháp tính toán cấu kiện hợp kim nhôm ........................... 48
2.3.1. Trạng thái giới hạn bền (ULS) .................................................... 49
2.3.2. Trạng thái giới hạn sử dụng (SLS) .............................................. 49
2.4. Các dạng tiết diện hay sử dụng ....................................................... 50
2.5. Tính toán cấu kiện hợp kim nhôm chịu nén uốn ........................... 53
2.5.1. Mất ổn định uốn.......................................................................... 53


2.5.2. Mất ổn định ngang xoắn ............................................................. 55
CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN. ............................................................. 57
3.1. Vật liệu thép thành mỏng:............................................................... 57
3.1.1. Các đặc trưng hình học ............................................................... 57
3.1.2. Tính khả năng chịu lực chịu lực danh nghĩa của cấu kiện ........... 59
3.1.3. Tính Mb theo cường độ chảy và oằn bên khi uốn ........................ 62
a. Khi cột chịu uốn theo phương x –x ................................................... 62
b. Khi cột chịu uốn theo phương y –y ................................................... 64
3.1.4 Kiểm tra bền ................................................................................ 67
3.2. Vật liệu thép cán nóng định hình chữ I CT42:............................... 68
3.3. Vật liệu hợp kim nhôm: .................................................................. 69
3.3.1. Các đặc trưng hình học: .............................................................. 69
3.3.2. Tính NRd ..................................................................................... 70
3.4. So sánh tổng khối lượng một cột từ ba phương án: ....................... 75
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ............................................................... 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 79


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

a) Các đặc trưng hình học

A

Diện tích tiết diện nguyên

Aeff Diện tích tiết diện hữu hiệu
Anet Diện tích tiết diện thực
b

Bề rộng phẳng

bc

Khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ nén ngoài cùng

bt

Khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ kéo ngoài cùng

beff Chiều rộng hữu hiệu
bp Chiều rộng của bản cánh tính từ tim góc uốn
bw Chiều rộng thông thủy giữa các đường hàn
c

Chiều rộng phẳng của bản cánh

h

Chiều cao tiết diện

ds

chiều dài mép

t

bề dày tấm

ri

bán kính bên trong của góc cong

ro1 bán kính cực của tiết diện đối với tâm uốn
ix , iy bán kính quán tính của tiết diện đối với các trục tương ứng x-x, y-y
Ix , Iy mômen quán tính của tiết diện nguyên đối với các trục tương ứng x-x,
y-y.
Ia

độ cứng

J

mômen quán tính xoắn

Ze môđun chống uốn tiết diện hữu hiệu đối với thớ biên chịu nén (kéo)
b) Cường độ và ứng suất
E

Môđun đàn hồi của hợp kim nhôm

Ed Giá trị thiết kế của tác động

G

Môđun đàn hồi trượt của hợp kim nhôm

fu

Giới hạn bền


fy

Giới hạn chảy

fo

Cường độ đặc trưng cho nén và chảy dẻo toàn bộ trong vùng kéo và

vùng nén
fa

Cường độ đặc trưng cho khả năng chịu lực cục bộ của tiết diện

fv

Cường độ đặc trưng trong vùng cắt

fs

Cường độ đặc trưng ổn định tổng thể

c) Ngoại lực và nội lực
H

Tải trọng ngang hoặc phản lực

M* mômen uốn tính toán
Ms mômen danh nghĩa của tiết diện khi tính toán về bền
Mb mômen danh nghĩa của tiết diện khi tính toán về ổn định
Mc mômen tới hạn
M0 mômen oằn đàn hồi

d) Kí hiệu các thông số


hệ số bề rộng hữu hiệu



độ mảnh của tấm



hệ số Poisson

k

hệ số điều kiện gối tựa của tấm và trạng thái ứng suất



thể hiện sự phân bố ứng suất

b hệ số độ chịu lực khi uốn
Iw

hằng số vênh


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Số hiệu hình
Hình 1.1.
Hình 1.2.
Hình 1.3.

Tên hình
Viện Công nghệ Công nghiệp Nghiên cứu (ITRI), Đài Loan
The Crystal, London, Vương Quốc Anh
Bolshoy Ice Dome, Coastal Cluste, Sochi, Liên Bang Nga

Hình 1.4.

Skating Palace , Coastal Cluste, Sochi, Liên Bang Nga

Hình 1.5.

Trung tâm tài chính thế giới, Thượng Hải, Trung Quốc

Hình 1.6.

Tòa tháp Burj Khalifa, Dubai

Hình 1.7.

Tòa tháp Al Bahr Towers, Dubai

Hình 1.8.

Bảo Tàng Museo Soumaya, Mexico City

Hình 1.9.

Nhà máy xử lý chất thải Marchwood, Vương Quốc Anh

Hình 1.10.

Nhà máy xử lý chất thải Marchwood, Vương Quốc Anh

Hình 1.11.

Vòm Kayseri, Thổ Nhĩ Kỳ

Hình 1.12.

Hai mái vòm 68m, Mersin, Thổ Nhĩ Kỳ

Hình 1.13.

Vòm Lafarge Exshaw, Canada

Hình 1.14.

Bên trong vòm Ruwais

Hình 1.15.

Vòm Rawais, Abu Dhabi

Hình 1.16.

Trụ sở ngân hàng Hồng Kông – Thượng Hải

Hình 1.17.

Tháp Tower,Tokyo, Nhật Bản

Hình 1.18.

Hearst Tower, New York

Hình 1.19.

Pittsburgh Pennsylvania

Hình 1.20.

Thanh Đảo Oriental Cinema sử dụng 100 tấn nhôm mạ và


13.000m2 tấm nhôm
Hình 1.21.

Ga Quảng Châu sử dụng 10 tấn mạ nhôm và 12.500m2 tấm
nhôm

Hình 1.22.

Sân vận động Wembley ở London, Anh

Hình 1.23.

Estadio Azteca ở Mexico City, Mexico

Hình 1.24.

Sân bay quốc tế Kansai, Nhật Bản

Hình 1.25.

Sage Gateshead, Gateshead Quays, Vương Quốc Anh

Hình 1.26.

Công viên giải trí Ferrari World ở Abu Dhabi

Hình 1.27.

Cầu Arvida, Canada

Hình 1.28.

Hà Nội Landmark 72, Việt Nam

Hình 1.29.

Khách sạn Novotel Đà Nẵng Premier Hàn River

Hình 1.30.

Tháp Bitexco

Hình 2.31.

Biểu đồ ứng suất – biến dạng của hợp kim nhôm

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Bảng 2.1.

Hệ thống chỉ số hợp kim nhôm rèn (AWS)

Bảng 2.2.

Hệ thống chỉ số hợp kim nhôm đúc (ACS)

Bảng 2.3.

Chỉ số cơ bản về độ cứng

Bảng 2.4.

Ký hiệu hợp kim nhôm rèn sử dụng trong kết cấu

Bảng 2.5.

Giới hạn chảy ƒ0 , giới hạn bền ƒu , (không hàn và hàn), độ
dãn dài min, hệ số giảm ρ0,haz và ρu,haz , np của hợp kim nhôm
rèn – tấm dải, bản


Bảng 2.6.

Giới hạn chảy ƒ0 , giới hạn bền ƒu , (không hàn và hàn), độ
dãn dài min, hệ số giảm ρ0,haz và ρu,haz , np của hợp kim nhôm
rèn – Định hình, ống ép dập/thỏi ép dập và ống kéo

Bảng 2.7.

Hợp kim nhôm đúc sử dụng trong kết cấu

Bảng 2.8.

Giới hạn chảy ƒ0 , giới hạn bền ƒu của hợp kim nhôm đúc

Bảng 2.9.

Ký hiệu nhôm theo TCVN 1659-75

Bảng 2.10.

Tính chất cơ lý của một số hợp kim nhôm dạng thanh, thỏi,
ống và prôfin TCVN 5839-1994

Bảng 2.11.

Quy đổi một số hợp kim nhôm theo TCVN và Eurocode 9

Bảng 2.12.

Biến dạng cho phép của kết cấu

Bảng 2.13.

Các dạng tiết diện hay sử dụng và công thức


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Các kết cấu đỡ mặt kính của các tòa nhà chọc trời, kết cấu đỡ các tấm
vách ngăn của các văn phòng sử dụng hệ kết cấu khung nhôm có trọng lượng
nhẹ, khỏe và mạnh mẽ. Trung tâm giải trí, thương mại và triển lãm đều sử
dụng hệ khung nhôm. Hệ thống kết cấu sân vận động, các mái của khu vui
chơi, bể bơi và các cơ sở thể thao khác cũng sử dụng các kết cấu nhôm. Như
vậy hiện nay kết cấu hợp kim nhôm đã trở thành một trong những vật liệu
phổ biến trong xây dựng.
Với chủ trương đổi mới mang tính đón đầu của Đảng và nhà nước “

nâng cao đời sống dân trí, phát triển mạnh về kinh tế, hội nhập sâu rộng với
cộng đồng quốc tế ” điều này đòi hỏi ngành xây dựng cần có những bước tiến
đột phá trong việc nghiên cứu và sử dụng các hệ kết cấu với các loại vật liệu
mới. Kết cấu dùng vật liệu hợp kim nhôm là một trong những kết cấu cần
thiết phải nghiên cứu áp dụng.
Kết cấu xây dựng chế tạo từ vật liệu nhôm và hợp kim nhôm (gọi tắt là
kết cấu hợp kim nhôm) có đầy đủ các ưu điểm của kết cấu kim loại nói
chung, đó là tính công nghiệp hóa trong chế tạo, dễ tháo lắp, vận chuyển, độ
tin cậy và tuổi thọ cao, vượt khẩu độ lớn. Kết cấu hợp kim nhôm là loại kết
cấu có trọng lượng nhẹ trong các loại kết cấu xây dựng hiện nay. Nhờ trọng
lượng nhẹ nên việc sử dụng kết cấu hợp kim nhôm trong các công trình xây
dựng, đặc biệt là trong các công trình cao tầng và công trình khẩu độ lớn làm
giảm đáng kể trọng lượng công trình dẫn đến phương án móng tiết kiệm hơn.
Điều này có ý nghĩa rất lớn khi thiết kế công trình cao tầng chịu tải gió và
động đất.
So với các loại vật liệu truyền thống trong xây dựng như bê tông và
thép thì nhôm là vật liệu tương đối mới. Từ những năm 60 của thế kỷ XX, kết
cấu nhôm được áp dụng rộng rãi tại Mỹ và Châu Âu. Theo số liệu thống kê


2
thì riêng tại Mỹ, Nga, Anh và Canada vật liệu nhôm dùng trong xây dựng
chiếm khoảng 20% tổng sản lượng nhôm của họ.
Việc tính toán thiết kế kết cấu hợp kim nhôm đã được nhiều nước đưa
vào chương trình giảng dạy ở bậc đại học, trên cơ sở của các tiêu chuẩn thiết
kế phổ biến trên thế giới như SNiP, Eurocode 9…Tại Việt Nam, kết cấu hợp
kim nhôm sử dụng khá nhiều trong xây dựng, nhất là trong thời gian gần đây.
Để kết cấu này được ứng dụng phù hợp với điều kiện ở Việt Nam, chúng ta
cần có nhiều nghiên cứu tính toán về loại kết cấu hợp kim nhôm này. Với
mục đích như vậy, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tính toán kết cấu hợp kim

nhôm chịu nén uốn” nhằm mục đích tìm hiểu việc tính toán loại kết cấu mới
mẻ ở Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu phạm vi áp dụng, các đặc điểm về vật liệu, cấu tạo của các
kết cấu hợp kim nhôm.
- Nghiên cứu lý thuyết tính toán kết cấu hợp kim nhôm chịu nén uốn
theo tiêu chuẩn Eurocode 9.
- Dựa vào kết quả tính toán đưa ra kết luận và kiến nghị.
3. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết tính toán kết cấu hợp kim nhôm chịu nén uốn
theo tiêu chuẩn Eurocode 9.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết tính toán theo tiêu chuẩn Eurocode 9 (EN 1999-14 : 2007).
- Sử dụng lý thuyết để thực hiện các ví dụ tính toán.
5. Ý nghĩa thực tiễn
- Nâng cao kiến thức chuyên môn khi học Cao học.
- Các kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư xây dựng,
các luận văn thạc sĩ; là cơ sở để thiết kế nhà xưởng, nhà cao tầng dùng kết
cấu hợp kim nhôm ờ Việt Nam.


3
6. Cấu trúc luận văn
Chương 1: Tổng quan chung về kết cấu hợp kim nhôm.
Chương 2: Nghiên cứu tính toán cấu kiện hợp kim nhôm chịu nén uốn.
Chương 3: Ví dụ tính toán.


THÔNG BÁO
Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui

lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.
Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội.
Email:

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN


77

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
1. Kết luận.
Luận văn nghiên cứu một số nguyên tắc tính toán cấu kiện hợp kim
nhôm chịu nén uốn theo tiêu chuẩn Eurocode 9. Qua những nội dung đã trình
bày cho phép rút ra một số nhận xét như sau:
Khái quát về những ưu, nhược điểm và phạm vi áp dụng của kết cấu
hợp kim nhôm trên thế giới và Việt Nam;
Mặc dù kết cấu hợp kim nhôm được áp dụng phổ biến trên thế giới
nhưng ở Việt Nam chỉ mới được sử dụng trong thời gian gần đây. Loại kết
cấu này có thể sử dụng làm kết cấu chịu lực hay kết cấu phụ trợ, trang trí
trong các công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp.
Hợp kim nhôm không bị rỉ trong môi trường khí quyển, có độ bền cao.
Kết cấu hợp kim nhôm có thể dễ dàng được chế tạo được các loại tiết
diện thông thường bằng phương pháp kéo, uốn hay dập nguội. Tái chế dễ
dàng, tiết kiệm được năng lượng trong gia công và chế tạo. Không bị nhiễm
từ, không gây ra tia lửa khi va đập.
Khả năng chịu nén uốn của hợp kim nhôm khá lớn. Theo ví dụ giảm
đến 73% khối lượng so với thép thanh thành mỏng, giảm đến 81% khối
lượng so với thép cán nóng.

So với các loại vật liệu phổ biến như thép, bê tông cốt thép thì hợp kim
nhôm có một số ưu điểm như trọng lương riêng nhỏ nên được sử dụng nhiều
trong các hanga, mái vòm và mái trong sân vận động vượt khẩu độ lớn.
Việc tính toán thiết kế kết cấu hợp kim nhôm được nhiều nước phát
triển đưa vào trương trình giảng dạy ở bậc đại học trên cơ sở của các tiêu
chuẩn thiết kế phổ biến trên thế giới như Snip, Eurocode 9. Tuy nhiên Việt
Nam hiện nay có rất ít tài liệu đề cập đến vấn đề tính toán loại kết cấu này.


78
Kết cấu hợp kim nhôm có khả năng sử dụng nhiều trong tương lai do
có trọng lượng nhẹ, vượt được nhịp lớn, khả năng chịu ăn mòn cao, chịu
được tải trọng động tốt.
2. Khuyến nghị.
Qua nghiên cứu kết cấu hợp kim nhôm có những ưu điểm nổi bật như
độ bền cao, trọng lượng nhẹ, tính công nghiệp hóa cao, dễ tháo lắp, vận
chuyển và thi công lắp dựng. Đề tài khuyến nghị:
Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế riêng về kết cấu hợp kim nhôm
nên có thể áp dụng Eurocode 9 vào quá trình tính toán. Điều này cũng phù
hợp với xu thế hội nhập quốc tế
Tuy nhiên tôi cũng kiến nghị nên nghiên cứu về các liên kết trong cấu
kiện hợp kim nhôm để có thể đưa vào ứng dụng tại Việt Nam.


79

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Phạm Văn Hội, Kết cấu thép 2: Công trình dân dụng và công
nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật – Hà Nội (1998).

[2] Phạm Văn Hội, Kết cấu thép: Cấu kiện cơ bản, Nhà xuất bản Khoa
học và Kỹ thuật – Hà Nội (2006).
[3] Đoàn Định Kiến (2005), Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình
nguội, nhà xuất bản Xây dựng.
[4] Đoàn Tuyết Ngọc, Bài giảng Tính toán kết cấu thép thanh thành
mỏng.
[5] Trần Văn Dy (2002), Thép hợp kim – Quy trình công nghệ sản suất,
nhà xuất bản Xây dựng.
Tiếng Anh
[6] Eurocode 9: Design of aluminium structures – part 1 – 1: General
rules – General rules and rules for buildings.