Tính toán thiết kế dầm thép chịu uốn xoắn theo tiêu chuẩn châu âu (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

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

TRIỆU VĂN THỨC

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DẦM THÉP CHỊU UỐN XOẮN THEO
TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU

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

Hà Nội - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

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

TRIỆU VĂN THỨC
KHÓA: 2016 - 2018

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DẦM THÉP CHỊU UỐN XOẮN THEO
TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU

LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. VŨ QUỐC ANH

Hà Nội - 2018


LờI CảM ƠN
Trước tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Vũ Quốc Anh
là thầy giáo trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ trong quá trình hình thành, xây
dựng đề tài và những chỉ bảo mang tính xác thực cũng như những sửa chữa mang
tính khoa học của thầy để tác giả hoàn thành luận văn này.
Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ của khoa
Sau đại học Trường Đại Học Kiến Trúc Hà Nội đã giúp đỡ, chỉ dẫn trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu của tác giả tại lớp CH2016X2.
Mặc dù tác giả đã rất cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và
năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót hoặc có những
phần nghiên cứu chưa sâu. Rất mong nhận được sự góp ý chia sẻ của quý thầy cô,
cũng như quý đồng nghiệp và những người quan tâm để đề tài nghiên cứu được
hoàn thiện hơn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày… tháng…năm 2018
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Triệu Văn Thức

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Triệu Văn Thức
Ngày sinh: 20/08/1991
Nơi sinh: Xã Nam Hoa – Huyện Nam Trực – Tỉnh Nam Định
Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học
độc lập của riêng tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là
trung thực và có nguồn gốc rõ ràng.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Triệu Văn Thức


MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục bảng, biểu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
PHẦN MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I. ĐẠI CƯƠNG VỀ CẤU KIỆN CHỊU XOẮN ....................................3
1.1. Tổng quan về cấu kiện chịu xoắn ........................................................................3
1.1.1. Lịch sử phát triển phân tích xoắn ......................................................................3
1.1.2. Các thuật ngữ và ký hiệu ...................................................................................4
1.2. Biến dạng đàn hồi và ứng suất .............................................................................5
1.2.1. Tâm cắt ..............................................................................................................5
1.2.2. Xoắn tự do .........................................................................................................7
1.2.3. Xoắn kiềm chế.................................................................................................16
CHƯƠNG II. LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DẦM THÉP CHỊU UỐN
XOẮN THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU .............................................................21
2.1. Cấu kiện chịu xoắn tự do ...................................................................................21

2.1.1. Phân tích đàn hồi .............................................................................................21
2.1.2. Phân tích phá hoại dẻo.....................................................................................22
2.2. Cấu kiện chịu xoắn kiềm chế .............................................................................25
2.2.1. Phân tích đàn hồi .............................................................................................25
2.2.2. Phân tích phá hoại dẻo.....................................................................................41
2.3. Cấu kiện chịu uốn ..............................................................................................44


2.3.1. Cấu kiện chịu uốn phẳng ở trạng thái đàn hồi.................................................44
2.3.2. Cấu kiện chịu uốn phẳng ở trạng thái dẻo.......................................................54
2.4. Thiết kế dầm thép chịu uốn xoắn .......................................................................57
2.4.1. Phân loại mặt cắt ngang ..................................................................................57
2.4.2. Điều kiện kiểm tra dầm chịu uốn xoắn theo tiêu chuẩn Châu Âu ..................60
2.4.3. Trình tự tính toán, thiết kế ...............................................................................73
CHƯƠNG III. VÍ DỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DẦM THÉP CHỊU UỐN XOẮN
THEO TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU ..........................................................................74
3.1. Ví dụ 1 ................................................................................................................74
3.2. Ví dụ 2 ................................................................................................................80
3.3. Ví dụ 3 ................................................................................................................87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC BẢNG, BIỂU
Số hiệu

Tên bảng biểu

bảng biểu

Trang

Bảng 2.1

Các biểu thức của , ’, ” và ”’

30

Bảng 2.2

Đặc trưng hình học của mặt cắt ngang

46

Bảng 2.3

Đặc trưng hình học của mặt cắt ngang

47

Bảng 2.4

Bảng 2.5

Bảng 2.6

Bảng 2.7

Bảng 2.8
Bảng 2.9

Tỷ số lớn nhất giữa bề rộng và bề dày của phần chịu
nén
Tỷ số lớn nhất giữa bề rộng và bề dày của phần chịu
nén
Phân loại đường cong mất ổn định với các tiết diện
ngang
Giá trị kiến nghị của đường cong mất ổn định uốn
xoắn của các tiến diện ngang
Hệ số sai lệch cho các đường con cường độ mất ổn
định
Hệ số hiệu chỉnh kc

58

59

63

63

64
65

Giá trị của các hệ số C1 , C3 ứng với tỉ số của momen
Bảng 2.10

 biên phụ thuộc vào hệ số k z , f và k w . Đối với hệ

69

số của dầm đơn giản chịu uốn trong mặt phẳng
k y  1 , chị xoắn k w  1

Giá trị các hệ số C1 , C2 , C3 đối với các trường hợp tải
Bảng 2.11

trọng ngang khác nhau phụ thuộc và hệ số

70

k y , k z , k w và các hệ số  f và k wt

Bảng 2.12

Hệ số cho  ,  loại tải trọng và điều kiện biên

72


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hiệu

Tên hình

hình
Hình 1.1
Hình 1.2

Tâm cắt s và tâm khối lượng c

Xoắn tự do ( momen xoắn không đổi và đầu dầm là tự
do)

Trang
6
7

Hình 1.3

Dịch chuyển vênh u do momen xoắn

8

Hình 1.4

Màng Prandtl tương đối cho xoắn tự do

9

Hình 1.5

Dịch chuyển vênh của phần tử mỏng

9

Hình 1.6

Xoắn tự do của mặt cắt ngang hình chữ nhật dẹt

11

Hình 1.7

Đặc tính xoắn của mặt cắt ngang chữ nhật

13

Hình 1.8

Ứng suất tiếp do xoắn tự do lên mặt cắt ngang thành
mỏng

13

Hình 1.9

Độ vênh của một mặt cắt ống có khe hở

15

Hình 1.10

Momen xoắn do dòng cắt trong mặt cắt thành mỏng

15

Hình 1.11

Độ vênh của mặt cắt kín

16

Hình 1.12

Xoắn kiềm chế

16

Hình 1.13

Sự xoay của một đường thẳng song song với trục xoắn

17

Hình 1.14

Sự vênh của một phần tử  x   s  t do xoắn

18

Hình 1.15

Bi momen và ứng suất trong phần tử mặt cắt tiết diện
chữa I

19

Hình 2.1

Dầm công xôn chịu xoắn tự do

21

Hình 2.2

Dầm siêu tĩnh chịu xoắn tự do

22

Hình 2.3
Hình 2.4

Phân bố ứng suất tiếp do xoắn tự do ở trạng thánh hình
thành dẻo và dẻo hoàn toàn
Dầm công xôn chịu xoắn vênh

23
26


Hình 2.5
Hình 2.6

Dầm siêu tĩnh chịu xoắn kiềm chế
Biểu đồ A, cho  trường hợp 3: Momen tập trung T tác

27
35

dụng ở điểm x=αL

Hình 2.7

Biểu đồ B cho ” trường hợp 3: Momen tập trung T tác

36

dụng ở điểm x=αL
Biểu đồ C, cho  (Trường hợp 4: Momen xoắn phân bố
Hình 2.8

đều T, Trường hợp 3: Tổ hợp đối xứng của các tải

37

trọng điểm tại các điểm phần ba và phần tư)
Biểu đồ D, cho ” (Trường hợp 4: Momen xoắn phân
Hình 2.9

bố đều T, Trường hợp 3: Tổ hợp đối xứng của các tải

38

trọng điểm tại các điểm phần ba và phần tư)
Biểu đồ E, cho  và ” của dầm công xôn bị vênh ở gối
Hình 2.10

tự ( Trường hợp 7: momen tác dụng T không ở đầu tự

39

do, trường hợp 8: momen phân bố đều)
Hình 2.11

Hình 2.12

Biểu đồ F, cho  và  ( trường hợp 10: momen phân bố
tăng dần)
Bi momen và ứng suất trong phần tử có mặt cắt ngang
chữ I

40

41

Hình 2.13

Cơ cấu phá hoại dẻo do xoắn vênh

43

Hình 2.14

Những quy ước về chiều trong cấu kiện chịu uốn

44

Hình 2.15

Cấu kiện chịu uốn thuần túy

45

Hình 2.16

Uốn trong mặt phẳng không phải mặt phẳng chính

48

Hình 2.17

Ứng suất tiếp của mặt cắt ngang đặc

49

Hình 2.18
Hình 2.19

Sự phân bố ứng suất tiếp của mặt cắt ngang hình chữ
nhật
Sự phân bố của ứng suất tiếp trong mặt cắt ngang

50
51


thành mỏng hở
Hình 2.20

Sự phân bố của dòng ứng suất tiếp trong tiết diện chữ I

52

Hình 2.21

Sự cân bằng ngang của dòng ứng suất tiếp

53

Hình 2.22

Quan hệ giữa biến dạng và ứng suất của kết cấu thép
được lý tưởng hóa

54

Hình 2.23

Mối quan hệ giữa momen và độ uốn cong của dầm thép

55

Hình 2.24

Sự phân phối lại momen trong một dầm ngang

56

Hình 2.25

Cơ cấu phá hoại dẻo của dầm

57

Ý nghĩa của các đại lượng và quy ước dấu dưới tác
Hình 2.26

dụng của tải trọng bản thân ( Fz )

67

Hình 3.1

Ví dụ 1

74

Hình 3.2

Mặt cắt ngang chi tiết thép IPE500

74

Hình 3.3

Ví dụ 2

80

Hình 3.4

Mặt cắt ngang chi tiết thép IPE330

80

Hình 3.5

Ví dụ 3

87

Hình 3.6

Mặt cắt ngang chi tiết thép IPE600

87


1

PHẦN MỞ ĐẦU
 Lý do chọn đề tài
Trong những năm trở lại đây, sự phát triển về mật độ và quy mô xây dựng rất
nhanh, kết cấu thép với những ưu điểm về khả năng chịu lực lớn, cấu trúc đơn giản,
trọng lượng nhẹ, dễ dàng vận chuyển, thi công và sửa chữa … ngày càng được thiết
kế và thi công rộng rãi.
Cùng với chính sách mở cửa hội nhập của nhà nước. Đã và đang thu hút sự đầu
tư từ các tập đoàn kinh tế trên thế giới. Rất nhiều công trình có vốn đầu tư nước
ngoài đã và đang được xây dựng ở Việt Nam. Nhiều công trình đã được thiết kế và
thi công theo tiêu chuẩn Châu Âu, Mỹ …Trong xu thế hội nhập và phát triển hiện
nay việc hiểu biết và vận dụng tiêu chuẩn của các nước tiên tiến là rất cần thiết.

Hiện nay, khi thiết kế kết cấu chúng ta thường bỏ qua hoặc đơn giản hóa việc
tính toán thiết kế xoắn. Do đó không phải ánh đúng sự làm việc của kết cấu, dẫn
đến việc mất an toàn kết cấu. Trong TCVN 5575:2012 cũng chưa đề cập cụ thể về
vấn đề này. Cần có thêm các nghiên cứu về bài toán xoắn.
Vì vậy tôi đã chọn đề tài “ Tính toán thiết kế dầm thép chịu uốn xoắn theo tiêu
chuẩn Châu Âu”
 Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu đại cương về cấu kiện dầm thép chịu xoắn, uốn xoắn trong kết cấu
công trình.
Phương pháp và các công thức tính toán, thiết kế cấu kiện chịu uốn xoắn trong
tiêu chuẩn. Vận dụng phương pháp và công thức tính toán của tiêu chuẩn Châu Âu
để tính toán thiết kế dầm thép chịu uốn xoắn.
 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Cấu kiện dầm thép chịu uốn xoắn.
 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết


2

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu đề ra phương pháp tính toán thiết kế dầm thép
chịu xoắn theo tiêu chuẩn Châu Âu.
Ý nghĩa thực tiễn: Khi áp dụng phương pháp tính toán dầm thép chịu xoắn theo
tiêu chuẩn Châu Âu vào tính toán thiết kế kết cấu sẽ tránh được việc bỏ qua hoặc
đơn giản hóa việc tính xoắn. Qua đó sẽ đánh giá đầy đủ hơn các ứng xử của kết cấu,
làm tăng độ an toàn khi tính toán kết cấu.


95

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Với mong muốn được đóng góp những kiến thức đã tích lũy được trong quá
trình học tập, nghiên cứu trong nhà trường vào trong thực tiễn, tác giả đã lựa chọn
và cố gắng trong việc hoàn thành đề tài luận văn “ Tính toán thiết kế dầm thép chịu
uốn xoắn theo tiêu chuẩn Châu Âu” Tuy thời gian thực hiện và khả năng có hạn
nhưng đã giải quyết được đầy đủ mục tiêu đề ra và có nhứng đóng góp cụ thể sau
đây:
- Đã khái quát được cơ sở lý thuyết tính toán , thiết kế dầm thép chịu uốn xoắn
theo tiêu chuẩn Châu Âu
- Xây dựng trình tự tính toán cho bài toán thiết kế cấu kiện dầm thép chịu uốn
xoắn.
KIẾN NGHỊ
Phương pháp tính toán toán uốn xoắn theo tiêu chuẩn châu Âu có tính thực
hành cao, có thể sử dụng trong thiết kế hoặc kiểm tra tiết diện hợp lý của cấu kiện.
Hiện nay tiêu chuẩn Mỹ, tiêu chuẩn Châu Âu đã giới thiệu rất cụ thể và chi tiết
phương pháp tính toán uốn xoắn. Nhưng tại Việt Nam vẫn chưa đưa vào trong các
tiêu chuẩn tính toán, tài liệu thiết kế cũng chưa đề cập cụ thể dầm thép chịu tác động
của uốn xoắn. Cho nên tôi kiến nghị cần sớm đưa bài toán phân tích uốn xoắn và
tiêu chuẩn hoặc có chỉ dẫn tính toán để thuận lợi cho các kỹ sư thiết kế.


96

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Vũ Đình Lai, Nguyễn Xuân Lựu, Bùi Đình Nghi (2011), Sức bền vật liệu
tập 2, Nhà xuất bản Giao thông vận tải, Hà Nội.
2. A.F. Hughes, David C. lles, A.S. Malik(2011), Design of Steel Beams in
Torsion: In Accordance with Eurocodes and the UK National Annexes, by

SCI, Silwood Park, Ascot, Berkshine. SL5 7QN UK.
3. D.A.Nethercor, P.R Salter, A.S. Malik(1989), Design of Menbers subject
to Combined Bending and Torsion, by The Steel Construction Institute
Silwood Park.
4. N.S.Trahair,M.A.Bradford,D.A. Nethercot, and L. Gardner (2008), The
behaviour and design of steel structures to EC3, by Taylor & Francis
2 Park Square, Milton Park, Abingdon, Oxon OX14 4RN.
5. Eurocode3(16 April 2014), Design of steel structures, European Committee for
Standardization (CEN).