Tính toán khung thép nhẹ sử dụng cấu kiện thanh thành mỏng theo EC3

Đỗ Quang Luật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

* LUẬN VĂN THẠC SỸ

Đỗ Quang Luật

* Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng & Công nghiệp

TÍNH TOÁN KHUNG THÉP NHẸ
SỬ DỤNG CẤU KIỆN THÀNH MỎNG THEO EUROCODE3
CÓ KỂ ĐẾN SỰ THAY ĐỔI ĐỘ CỨNG CỦA CẤU KIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ
Ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD & CN
Mã số: 60580208

* Năm 2017

Hà Nội – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Đỗ Quang Luật

TÍNH TOÁN KHUNG THÉP NHẸ
SỬ DỤNG CẤU KIỆN THÀNH MỎNG THEO EUROCODE3

CÓ KỂ ĐẾN SỰ THAY ĐỔI ĐỘ CỨNG CỦA CẤU KIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ
Ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD & CN
Mã số: 60580208
Cán bộ hướng dẫn: TS. Hà Mạnh Hùng

TS. Nguyễn Đình Hòa

Hà Nội – 2017


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận văn này hoàn toàn do tôi nghiên cứu, dưới sự
hướng dẫn của TS. Hà Mạnh Hùng, TS.Nguyễn Đình Hòa.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công
bố trong các công trình khác.
Tôi xin chịu trách về công trình nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày 11 tháng 01 năm 2017
Tác giả luận văn

Đỗ Quang Luật


Lời cảm ơn
Đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới giáo viên hướng
dẫn của tôi: TS. Hà Mạnh Hùng và TS.Nguyễn Đình Hòa, người đã giúp tôi
định hướng đề tài nghiên cứu và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện
luận văn.
Tôi cũng xin được gửi lời biết ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô của trường

Đại học Xây dựng, những người đã truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức bổ ích
trong thời gian học tập và công tác tại trường.
Xin gửi lời cảm ơn tới đội ngũ kỹ sư tại Xí nghiệp thiết kế số 7
(CTASS) của Công ty TNHH Tư vấn Đại học Xây dựng (CCU) đã tạo điều
kiện cho tôi tiếp cận nghiên cứu, học tập và sử dụng số liệu thiết kế trong luận
văn của mình.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè của tôi,
những người đã luôn ở bên cạnh tôi, khuyến khích, động viên và tạo mọi điều
kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn.


I
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TRONG LUẬN VĂN. ............................... IV
DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN. ..................................... V
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN. ..............................VII
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÀNH MỎNG. .................. 3
1.1. TỔNG QUAN. ........................................................................................... 3
1.1.1. Khái niệm về thanh thành mỏng. .......................................................... 3
1.1.2. Phạm vi ứng dụng của kết cấu thanh thành mỏng. ............................... 8
1.1.3. Ƣu, khuyết điểm của kết cấu thanh thành mỏng. .................................. 9
1.1.4. Các dạng cấu kiện tạo hình nguội. ...................................................... 10
1.1.5. Một số đặc điểm đặc biệt của thanh thành mỏng. ............................... 12
1.2. VẬT LIỆU................................................................................................ 13
1.2.1. Thép..................................................................................................... 13
1.2.2. Tiết diện tạo từ thép tấm mỏng. .......................................................... 16
1.2.3. Vấn đề phòng gỉ. ................................................................................. 17
1.3. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO THANH THÀNH MỎNG. ............................ 20
1.4. QUY PHẠM THIẾT KẾ KẾT CẤU THÀNH MỎNG TẠO HÌNH

NGUỘI. ........................................................................................................... 23
1.5. CÁC KẾT CẤU THANH THÀNH MỎNG SỬ DỤNG Ở VIỆT NAM. 24
1.6. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ VIỆC ỨNG DỤNG KẾT CẤU THANH
THÀNH MỎNG.............................................................................................. 25
CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KHUNG THÉP SỬ DỤNG
CẤU KIỆN THÀNH MỎNG THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE ........ 28
2.1. ĐẠI CƢƠNG. .......................................................................................... 28
2.1.1. Phƣơng pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn. ................................... 28
2.1.2. Một số định nghĩa khi tính toán cấu kiện thành mỏng........................ 30


II
2.2. CÁC DẠNG MẤT ỔN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU THANH THÀNH
MỎNG. ............................................................................................................ 31
2.2.1. Các dạng mất ổn định.......................................................................... 31
2.2.2. Mất ổn định cục bộ, bề rộng hiệu quả. ................................................ 34
2.2.3. Tính tiết diện hiệu quả. ....................................................................... 38
2.3. KIỂM TRA CẤU KIỆN THEO ĐIỀU KIỆN BỀN. ............................... 42
2.3.1. Cấu kiện chịu kéo. ............................................................................... 42
2.3.2. Cấu kiện chịu nén. ............................................................................... 43
2.3.3. Cấu kiện chịu uốn................................................................................ 43
2.3.4. Cấu kiện chịu nén – uốn đồng thời. .................................................... 44
2.3.5. Cấu kiện chịu kéo – uốn đồng thời. .................................................... 45
2.3.6. Cấu kiện chịu cắt. ................................................................................ 46
2.3.7. Cấu kiện chịu đồng thời lực dọc, lực cắt và mômen uốn. .................. 47
2.4. KIỂM TRA CẤU KIỆN THEO ĐIỀU KIÊN MẤT ỔN ĐỊNH. ............. 47
2.5. KIỂM TRA CẤU KIỆN THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG. ..
....................................................................................................................... 53
2.6. LIÊN KẾT. ............................................................................................... 54
2.6.1.Liên kết vít. .......................................................................................... 54

2.6.2.Liên kết bulông. ................................................................................... 55
2.6.3.Liên kết đinh tán................................................................................... 56
2.6.4.Liên kết hàn. ......................................................................................... 57
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ KHUNG THÉP SỬ DỤNG CẤU KIỆN
THÀNH MỎNG. ........................................................................................... 59
3.1. THÔNG SỐ CÔNG TRÌNH. ................................................................... 59
3.1.1. Vật liệu. ............................................................................................... 60
3.1.2. Tải trọng tính toán.. ............................................................................. 60
3.2. TỔ HỢP TẢI TRỌNG. ............................................................................ 62


III
3.3. KẾT QUẢ NỘI LỰC. .............................................................................. 64
3.4. TÍNH TOÁN KHUNG THÉP THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN CHỊU
LỰC (TTGH1) ................................................................................................ 65
3.4.1. Xác định các đặc trƣng hình học của tiết diện 2C250x90x60x1,6. .... 65
3.4.2. Xác định tiết diện hiệu quả và ứng suất tới hạn gây mất ổn định. ...... 67
3.4.3. Kiểm tra cấu kiện theo điều kiện bền.................................................. 79
3.4.4. Kiểm tra cấu kiện theo điều kiện mất ổn định. ................................... 82
3.4.5. Nghiên cứu sự ảnh hƣởng của tiết diện giảm yếu tới độ cứng và khả
năng chịu lực của khung. .............................................................................. 86
3.5. KIỂM TRA CẤU KIỆN THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG
(TTGH2).......................................................................................................... 89
3.6. TÍNH TOÁN LIÊN KẾT. ........................................................................ 91
3.6.1.Tính toán liên kết đỉnh cột và xà. ......................................................... 91
3.6.2.Tính toán liên kết đỉnh mái xà-xà. ....................................................... 96
3.6.3.Tính toán liên kết chân cột. .................................................................. 97
KẾT LUẬN ................................................................................................. 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 101
PHỤ LỤC .................................................................................................. PL-1

IV
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TRONG LUẬN VĂN
b, h, L

Kích thƣớc hình học của cấu kiện

beff

Bề rộng hiệu quả

Cw

Hằng số vênh của tiết diện

D

Độ cứng trụ

E

Mô đun đàn hồi của vật liệu

σ

Ứng suất

fy , fyb

Giới hạn chảy của vật liệu

I

Mô men quán tính

i

Bán kính quán tính

J ,IT

Mô men quán tính xoắn

K

Độ cứng của gối đàn hồi

k

Hệ số oằn của tấm

Ncr

Lực tới hạn

Ncr,T

Lực tới hạn đàn hồi trƣờng hợp nén dọc trục

Ncr,TF

Lực tới hạn đàn hồi trƣờng 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 đổi

σcr

Ứng suất tới hạn

χ

Hệ số giảm yếu do mất ổn định

 M 0 ,  M 1,  M 2

Hệ số an toàn



Độ mảnh tỷ đối của thanh



Hệ số Poisson



Hệ số tỷ lệ ứng suất


V
DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN.
Bảng 1.1. Phân loại thanh theo tiêu chuẩn Eurocode 3. .................................. 6
Bảng 1.2. Phân loại thanh theo tiêu chuẩn Eurocode 3.. ................................. 7
Bảng 1.3. Thép dùng làm kết cấu tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Úc[3] ....... 14
Bảng 1.4. Thép dùng làm kết cấu tạo hình nguội theo tiêu chuẩn Châu Âu[8].
......................................................................................................................... 15
Bảng 2.1. Xác định bề rộng hiệu quả theo tiêu chuẩn Eurocode 3[8]. .......... 36
Bảng 2.2. Xác định bề rộng hiệu quả theo tiêu chuẩn Eurocode 3[8].. ......... 37
Bảng 2.3. Bảng tra ứng suất oằn cắt fbv .......................................................... 46
Bảng 2.4. Hệ số không hoàn thiện .................................................................. 48
Bảng 2.5. Dạng đường cong mất ổn định tương ứng với các loại tiết diện. .. 49
Bảng 2.6. Bảng tra hệ số C1 và C3 khi tính mất ổn định oằn - xoắn. ............. 52
Bảng 2.7. Bảng tra hệ số C1,C2 và C3 cho dầm có tải trọng uốn.................... 53
Bảng 2.8. Khả năng chịu lực của vít Fv,Rk (N/vít)[12] .................................... 55

Bảng 2.9. Giới hạn chảy dẻo fyb và giới hạn bền fub của bulông [12] .. ......... 56
Bảng 2.10. Khả năng chịu lực của đinh tán Fv,Rk (N/đinh tán)[12] .. ............. 57
Bảng 3.1. Hệ số thay đổi áp lực theo độ cao k .. ............................................ 61
Bảng 3.2. Hệ số khí động C............................................................................. 61
Bảng 3.3. Tải trọng tác dụng lên khung.......................................................... 62
Bảng 3.4. Bảng tổ hợp tải trọng theo TTGH 1 ............................................... 63
Bảng 3.5. Bảng tổ hợp tải trọng theo TTGH 2. .............................................. 63
Bảng 3.6. Bảng kết quả nội lực để tính cột. .................................................... 64
Bảng 3.7. Bảng kết quả nội lực để tính dầm. .................................................. 64


VI
Bảng 3.8. Bảng tổng hợp tỷ lệ chịu lực. .......................................................... 86
Bảng 3.9. Bảng tỷ lệ đặc trưng hình học của tiết diện hiệu quả và tiết diện
nguyên. ............................................................................................................ 87
Bảng 3.10. Bảng tổng hợp khả năng chịu lực của cấu kiện giảm độ cứng. ... 87
Bảng 3.11. Bảng tỷ số tương đối khả năng chịu lực. ...................................... 88
Bảng 3.12. Bảng đặc trưng hình học của tiết diện để tính TTGH2. ............... 89
Bảng 3.13. Bảng tổng hợp chuyển vị............................................................... 90
Bảng 3.14. Đặc trưng hình học của tiết diện nguyên.. ................................... 92
Bảng 3.15. Bảng phân phối lực để tính liên kết cột - xà... .............................. 93
Bảng 3.16. Phân phối lực cắt cho mỗi bulông. ............................................... 94
Bảng 3.17.Tải trọng tác dụng vào các phần tử............................................... 95
Bảng 3.18. Bảng phân phối lực để tính liên kết chân cột.. ............................. 98
Bảng 3.19. Phân phối lực cắt cho mỗi bulông.. .............................................. 98


VII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN VĂN.
Hình 1.1. Kích thước của thanh thành mỏng .................................................... 4

Hình 1.2. Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của các loại thanh theo cách
phân loại của tiêu chuẩn châu âu Eurocode 3 ................................................. 5
Hình 1.3. Tiết diện đơn hở [8] ........................................................................ 11
Hình 1.4. Tiết diện ghép hở [8]....................................................................... 11
Hình 1.5. Tiết diện ghép kín [8]. ..................................................................... 11
Hình 1.6. Tiết diện dùng cho cấu kiện chịu nén, kéo [8]. ............................... 11
Hình 1.7. Tiết diện dầm và một số cấu kiện chịu uốn khác [8] ...................... 12
Hình 1.8. Các loại tấm mỏng uốn nguội thông dụng làm sàn, mái và tường
[6]. ................................................................................................................... 12
Hình 1.9. Máy gấp mép ................................................................................... 20
Hình 1.10. Máy ép khuôn ................................................................................ 21
Hình 1.11. Máy cán trục lăn ........................................................................... 22
Hình 1.12. Nhà dân dụng ................................................................................ 26
Hình 1.13. Hệ dàn mái thép nhẹ ..................................................................... 26
Hình 1.14. Nhà công nghiệp ........................................................................... 27
Hình 1.15. Vì kèo vượt nhịp 42m sử dụng thanh thành mỏng ........................ 27
Hình 2.1. Tiết diện và tiết diện hiệu quả của tiết diện chữ C ......................... 31
Hình 2.2. Mất ổn định của dầm tiết diện chữ C .............................................. 32
Hình 2.3. Tiết diện hiệu quả theo tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 3. .............. 33
Hình 2.4. Đặc trưng hình học của tiết diện hiệu quả của phần biên.............. 39
Hình 2.5. Sơ đồ tính tiết diện phần cánh......................................................... 39


VIII
Hình 2.6. Tiết diện hiệu quả của phần cánh. .................................................. 40
Hình 2.7. Mô hình xác định độ cứng lò xo và ứng suất tới hạn σcr,s. .............. 40
Hình 2.8. Biểu đồ ứng suất tới hạn quy đổi .................................................... 41
Hình 2.9. Biểu đồ ứng suất tới hạn quy đổi (vòng lặp thứ n). ........................ 41
Hình 2.10. Tiết diện hiệu quả của phần cánh xác định ở vòng lặp cuối. ....... 42
Hình 2.11. Tiết diện không có sườn tăng cứng ............................................... 46

Hình 2.12. Tính toán các đặc trưng của tiết diện hiệu quả. ........................... 48
Hình 2.13. Khoảng cách liên kết ..................................................................... 56
Hình 3.1. Mặt bằng nhà. ................................................................................. 59
Hình 3.2. Sơ đồ khung thép trục . ................................................................... 60
Hình 3.3. Sơ đồ tải trọng gió........................................................................... 62
Hình 3.4. Tiết diện 2C250x90x30x1,6............................................................. 65
Hình 3.5. Tiết diện tính toán 2C250x90x60x1,6 ............................................. 66
Hình 3.6. Sơ đồ tính phần cánh....................................................................... 67
Hình 3.7. Xác định tiết diện hiệu quả. ............................................................ 67
Hình 3.8. Tiết diện hiệu quả của phần biên. ................................................... 68
Hình 3.9.Ứng suất gây mất ổn định vênh một phần tiết diện .. ...................... 70
Hình 3.10.Ứng suất tới hạn quy đổi ................................................................ 70
Hình 3.11.Tiết diện tính toán vòng lặp 1 ........................................................ 71
Hình 3.12.Tiết diện hiệu quả của phần biên (vòng lặp 1) .............................. 72
Hình 3.13.Tiết diện tính toán vòng lặp 2 .. .................................................... 74
Hình 3.14.Tiết diện hiệu quả của phần biên (vòng lặp 2) . ............................ 74
Hình 3.15.Biểu đồ phân bố ứng suất trên bản bụng khi chịu nén . ................ 76


IX
Hình 3.16. Tiết diện hiệu quả của cấu kiện chịu nén...................................... 77
Hình 3.17.Biểu đồ phân bố ứng suất trên bản bụng khi chịu nén. ................. 78
Hình 3.18. Tiết diện hiệu quả của cấu kiện chịu uốn ..................................... 79
Hình 3.19.Chi tiết liên kết cột và xà. .............................................................. 91
Hình 3.20.Chi tiết liên kết xà - xà ................................................................... 96
Hình 3.21.Chi tiết liên kết chân cột. ............................................................... 97
Hình P.1. Sơ đồ khối tính tiết diện hiệu quả. .............................................. PL-1
Hình P.2. Code matlap tính tiết diện hiệu quả cấu kiện 2C chịu nén.. ...... PL-8
Hình P.3. Sơ đồ khung thép. ....................................................................... PL-9
Hình P.4. Tính hằng số cong vênh theo CUFSM4. ................................... PL-10

Hình P.5. Sơ đồ mô phỏng nút khung. ...................................................... PL-11
Hình P.6. Ứng suất và chuyển vị tổng thể của nút.................................... PL-11
Hình P.7. Ứng suất trong tấm liên kết bụng. ............................................ PL-12
Hình P.8. Ứng suất trong tấm liên kết cánh.. ........................................... PL-12
Hình P.9. Ứng suất S11 của cấu kiện 2C250 tại vị trí nút. ...................... PL-13


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài: Hiện nay kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội đƣợc
sử dụng nhiều do sử dụng vật liệu cƣờng độ cao, trọng lƣợng thép ít, thi công
nhanh, dễ dàng không cần các máy móc thiết bị thi công lớn, tiết kiệm vật liệu
móng.Tuy nhiên việc tính toán kết cấu này còn nhiều khó khăn do Việt Nam
chƣa có tiêu chuẩn.
2. Mục đích nghiên cứu: Tính toán khung nhà Công nghiệp không cầu trục
một tầng một nhịp có cấu kiện thanh thành mỏng tiết diện 2C dƣới tác dụng
của các tải trọng cơ bản là tĩnh tải, hoạt tải và tải trọng gió có kể đến sự thay
đổi độ cứng của cấu kiện khung.
3. Mục tiêu nghiên cứu: Tính toán khả năng chịu lực của các cấu kiện, các
liên kết các cấu kiện, độ võng xà, chuyển vị đỉnh cột của khung.
Đánh giá ảnh hƣởng của sự thay đổi độ cứng các cấu kiện do giảm yếu tiết
diện khi mất ổn định cục bộ hoặc mất ổn định vênh một phần tiết diện khung
đến kết quả tính toán khung theo TTGH1 & TTGH2
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tƣợng: Khung nhà Công nghiệp không cầu trục một tầng một nhịp dùng
thép thành mỏng tạo hình dập nguội tiết diện 2C.
Phạm vi nghiên cứu: Tính toán cấu kiện theo TTGH và liên kết khung.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu: Trên cơ sở lý thuyết tính toán cấu kiện thành
mỏng theo Eurocode 3, sử dụng phƣơng pháp tiết diện hiệu quả tính khả năng
chịu lực của các cấu kiện, tính toán liên kết khung. Mô phỏng trạng thái ứng

suất, biến dạng của các liên kết trong khung.
6. Cơ sở khoa học: Dùng tiêu chuẩn Eurocode 3 tính toán cấu kiện thành
mỏng.
7. Thực tiễn và cơ sở pháp lý của đề tài: Do nhu cầu tính toán, ứng dụng kết
cấu thép thanh thành mỏng trong xây dựng.


2
8. Kết quả đạt đƣợc:
Khả năng mất ổn định của cấu kiện luôn chiếm tỷ lệ cao hơn so với khả năng
bền chịu nén – uốn, kéo – uốn và chịu cắt.
Khi kể đến ảnh hƣởng của độ cứng, lấy nội lực để tính cấu kiện thì khả năng
chịu lực không thay đổi nhiều so với sơ đồ tính ban đầu.Do đó trong khi tính
toán cấu kiện có thể bỏ qua ảnh hƣởng của thay đổi độ cứng.
Khi kiểm tra cấu kiện theo trạng thái giới hạn thứ hai ngƣời kỹ sƣ thiết kế cần
kể đến ảnh hƣởng của sự thay đổi độ cứng của cấu kiện.
9. Vấn đề còn tồn tại:
Luận văn chƣa đƣa ra đƣợc cách liên kết để cấu kiện 2C làm việc đồng thời
với nhau.
Khi mô phỏng nút liên kết hiện nay đang mô hình liên kết cứng hoàn toàn tại
một đầu thanh và đầu còn lại chƣa có điều kiện biên. Thực tế điều kiện biên
tại những vị trí trên đều là gối đàn hồi.
Chiều dài cấu kiện mô phỏng tại vị trí liên kết là bao nhiêu?


3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÀNH MỎNG.
1.1. TỔNG QUAN.
Thuật ngữ “kết cấu thép thành mỏng, tạo hình nguội”( Thin-wall/ Coldformed Steel Structure, từ đây viết tắt là CFS) để chỉ các kết cấu thép có trọng
lƣợng nhẹ, tiết diện mỏng, độ mảnh lớn (thin-wall), đƣợc chế tạo từ những

băng (tấm) thép cán nóng, cƣờng độ cao bằng phƣơng pháp gia công nguội
(cold-formed). Do đó, phƣơng pháp tính toán, thiết kế, thi công đòi hỏi
những yêu cầu đặc trƣng hoàn toàn khác với kết cấu thép thông thƣờng.
Kết cấu thanh thành mỏng khác biệt so với kết cấu thông dụng ở những điểm
sau:
- Sử dụng các loại thanh thép tạo hình nguội từ các tấm thép rất mỏng
(từ 0,3 đến 4 mm).
- Sử dụng các loại tiết diện không có trong kết cấu thông thƣờng nhƣ
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 thƣờng.
Việc sử dụng thanh thành mỏng tạo ra một cách tiếp cận khác của kết
cấu thép trong mọi giai đoạn xây dựng: “ thiết kế, chế tạo, lắp dựng”. Nội
dung của chƣơng này chủ yếu đề cập đến những vấn đề cơ bản liên quan
đến kết cấu thanh thành mỏng nhƣ vật liệu, chế tạo, lắp dựng, ƣu nhƣợc
điểm, phạm vi áp dụng, tình hình sử dụng, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thành
mỏng ở trên thế giới và ở Việt Nam.
1.1.1. Khái niệm về thanh thành mỏng.
Khái niệm về kết cấu thép nhẹ bao gồm các hệ thống kết cấu xây dựng
bằng thép có trọng lƣợng nhẹ hơn kết cấu thép thông dụng.Đó là giải pháp kết
cấu mới trong lĩnh vực vật liệu và công nghệ ban đầu đƣợc sử dụng trong các
lĩnh vực cơ khí, hàng không, ô tô, nay mang áp dụng vào kết cấu xây dựng
khiến có thể tạo nên kết cấu mới trọng lƣợng giảm nhẹ.


4
Theo Vlasov[11], thanh thành mỏng là thanh thẳng với kích thƣớc theo
ba chiều có bậc khác nhau. Nếu gọi 1 là chiều dài thanh, h là kích thƣớc
theo một cạnh nào đó của tiết diện, t là bề dày của thành (Hình 1.1) thì thanh
đƣợc xem là thanh thành mỏng khi có các tỉ số nhƣ sau: t/h  0,1; h/1  0, l.
Tiết diện của thanh thành mỏng có thể hở hoặc kín.

Hình 1.1. Kích thước của thanh thành mỏng.
Khái niệm thanh thành mỏng của Vlasov dựa trên việc phân tích ứng suất
trong thanh có kể đến xoắn kiềm chế hay không kể đến xoắn kiềm chế. Tiêu
chuẩn Châu Âu Eurocode 3 cũng đƣa ra khái niệm thanh thành mỏng thông
qua việc phân loại tiết diện thanh. Việc phân loại đó dựa trên cơ sở độ ổn
định cục bộ, hình dạng tiết diện thanh, trạng thái chịu lực của thanh và tỉ số
giữa các kích thƣớc của tiết diện. Theo đó, ngƣời ta chia thành 4 loại tiết diện
thanh: tiết diện đặc, tiết diện nửa đặc, tiết diện mảnh và tiết diện rất mảnh
(tiết diện thành mỏng).
- Thanh có tiết diện đặc: là thanh có khả năng hình thành khớp dẻo, trong
đó khớp dẻo có thể quay tự do.
- Thanh có tiết diện nửa đặc: là thanh có khả năng hình thành khớp dẻo,
nhƣng góc quay của khớp dẻo bị giới hạn do bị phá hoại vì sự mất ổn định
cục bộ.
- Thanh có tiết diện mảnh: là thanh ngay khi vật liệu bắt đầu bị chảy dẻo
thanh bị phá hoại do sự mất ổn định cục bộ.


5
- Thanh có tiết diện rất mảnh (thanh thành mỏng): là thanh bị phá hoại do
sự mất ổn định cục bộ khi vật liệu đang làm việc trong giai đoạn đàn hồi.

Hình 1.2. Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của các loại thanh theo
cách phân loại của tiêu chuẩn châu âu Eurocode 3.
Bảng 1.1 trích ra từ bảng 5-2 tiêu chuẩn Eurocode 3 [7] giới thiệu một số loại
thanh thông dụng theo tiêu chuẩn Eurocode 3.Ở đây, những thanh không
thuộc 3 loại (Thanh đặc; Thanh nửa đặc; Thanh mảnh) trong bảng là thanh
thành mỏng.

6
Bảng 1.1. Phân loại thanh theo tiêu chuẩn Eurocode 3.

Trục
uốn

Trục
uốn
Loại thanh

Cấu kiện chịu Cấu kiện chịu
Cấu kiện vừa chịu uốn vừa chịu nén
uốn
nén

Biểu đồ ứng
suất(Quy ƣớc
ứng suất nén là
dƣơng)

1

c
 72e
t

2

c

 83e
t

c
 83e
t

c
 124e
t

c
 42e
t

c
 33e
t

c 396e
Khi   0,5 : 
t 13  1
c 36e
Khi   0,5 : 
t

c 456e
Khi   0,5 : 
t 13  1
c 41,5e

Khi   0,5 : 
t


Biểu đồ ứng
suất(Quy ƣớc
ứng suất nén là
dƣơng)

3

e  235 / f y

fy
e

235
1,00

275
0,92

c
42e
Khi   1: 
t 0,67  0,33
c
Khi   1*) :  62e (1  ) ( )
t
355

420
460
0,81
0,75
0,71


7
Bảng 1.2. Phân loại thanh theo tiêu chuẩn Eurocode 3.

Thép cán nóng
Loại thanh

Cấu kiện chịu nén

Thép tổ hợp
Cấu kiện chịu uốn và nén
Mép trong nén
Mép trong kéo

Biểu đồ ứng suất
(Quy ƣớc ứng suất nén
là dƣơng)

1

c
 9e
t

c 9e

t 

c
9e

t  

2

c
 10e
t

c 10e

t


c 10e

t  

Biểu đồ ứng suất
(Quy ƣớc ứng suất nén
là dƣơng)
3

e  235 / f y

c / t  21e k

c / t  14e
fy
e

235
1,00

275
0,92

kσ : Hệ số uốn dọc.
420
355
0,75
0,81

460
0,71

*)   1 .Áp dụng khi một trong hai ứng suất nén   f y hoặc ứng suất kéo:

e y  fy / E
fy: Giới hạn chảy của vật liệu thanh (N/mm2)


8
235: Giới hạn chảy của thép S235 (N/mm2)

1.1.2. 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
điều kiện cấu tạo (chế tạo, phòng gỉ, …), điều kiện chịu lực (tải trọng, tính
năng vật liệu…), các chỉ tiêu kinh tế, điều 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 nhƣ thép cán nóng, bê tông,
gỗ. Kết cấu thanh thành mỏng đƣợc áp dụng trong các loại dàn mái nhà, các
cấu kiện thứ yếu làm kết cấu bao che nhƣ xà gồ, dầm tƣờng, 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 tƣờng bao che, vách ngăn di động, cầu thang, cửa trời, và các
kết cấu tƣơng tự. Các cấu kiện nhóm này đƣợc áp dụng trong các nhà dân
dụng, nhà kho, nhà xƣởng, chuồng trại, nhà triển lãm, các công trình tháo
lắp….
Sử dụng thanh thành mỏng đƣơng nhiên giảm nhẹ trọng lƣợng kết cấu, tiết
kiệm vật liệu nhƣng 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 đắt
hơn thép cán nhiều (có thể tới 30%) do phải dùng thép tấm mỏng cán nóng và
gia công uốn nguội. Để sử dụng hợp lý thép uốn nguội, cần xem xét các yếu
tố nhƣ sau:
1. Việc sản xuất các thanh thành mỏng đƣợc thực hiện với số lƣợng lớn,

đƣợc dùng lặp lại cho nhiều kết cấu. Dùng loại tiết diện đƣợc sản xuất với số
lƣợng lớn rẻ hơn nhiều so với loại tiết diện đƣợc làm riêng lẻ số lƣợng ít.


9
2. Giảm trọng lƣợng kết cấu thƣờng làm tăng giá thành chế tạo. Giảm
giá thành chế tạo bằng cách dùng dây chuyền và thiết bị hiện đại, cơ giới
hóa cao.
3. Kết cấu thép nhẹ đƣợc lắp ráp nhanh và dễ dàng. Các cấu kiện điển
hình có thể đƣợc vận chuyển và lƣu kho ở dạng rất gọn, tiện cho bốc xếp và
lắp dựng.
Các hãng sản xuất thanh thành mỏng hiện nay đều cố gắng tiêu chuẩn
hóa và điển hình hóa cao độ các loại tiết diện. Một tiết diện thanh thành
mỏng có thể đƣợc áp dụng cho nhiều loại nhà có công dụng khác nhau và sơ
đồ kết cấu khác nhau. Tất nhiên là tiêu chuẩn hóa cao sẽ dẫn dến làm tăng
lƣợng thép, vì có những trƣờng hợp vật liệu chƣa làm việc hết khả năng,
nhƣng không có nghĩa là bất lợi về kinh tế. Việc tiêu chuẩn hóa các cấu kiện
nhẹ sẽ cho phép giảm sự đa dạng của tiết diện, nên tăng số lƣợng sản xuất
hàng loạt; nghiên cứu những nút liên kết thống nhất, giảm công chế tạo và
lắp dựng.
1.1.3. Ưu, khuyết điểm của kết cấu thanh thành mỏng.
a. Ưu điểm.
-

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

nhƣng 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 đến

30% đối với mái nhà, đối với các cấu kiện có các thanh và nút thống nhất
hóa nhƣ dàn mái không gian thì thời gian còn giảm nhiều hơn nữa.
-

Hình dạng tiết diện đƣợc chọn lựa đa dạng theo yêu cầu.

-

Đặc trƣng 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 đẹp kết cấu, bớt che lấp diện tích kính lấy

ánh sáng.


10
b. Khuyết điểm.
-

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 nhƣng đòi hỏi

những biện pháp và phƣơng tiện riêng vì cấu kiện dễ bị hƣ hại.
-

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

diện cấu kiện đƣợc chọn lựa tự do nên không có bảng tính toán sẵn.
1.1.4. Các dạng cấu kiện tạo hình nguội.
Các dạng tiết diện thành mỏng hết sức phong phú, đa dạng:
Bằng cách tạo hình nguội, có thể tạo từ tấm thép mỏng tiết diện hình bất kỳ.
Tùy theo chu tuyến của tiết diện, có hai loại:
Tiết diện hở nhƣ chữ C, chữ Z, chữ L, chữ U.
Tiết diện kín nhƣ ống, hộp(Chữ nhật, vuông, tròn, ô van,..).
Hàn các tiết diện đơn với nhau có thể tạo nên tiết diện phức hợp. Bề dày của
tiết diện là không đổi, trừ một số chỗ có bề dày gấp đôi do gập bản thép lại.
Cấu kiện dạng thanh dùng làm kết cấu chịu lực chính nhƣ cột, khung hoặc
cấu kiện phụ nhƣ xà gồ, dầm tƣờng. Các thanh riêng lẻ có thể ghép với nhau
tạo nên kết cấu rỗng nhƣ dàn. Cấu kiện dạng tấm dùng để làm tấm sàn, panel
mái hay panel tƣờng. Kích thƣớc các tiết diện uốn nguội đƣợc tiêu chuẩn hóa
tại một số nƣớc sử dụng loại kết cấu này.
Nhiều doanh nghiệp sản xuất kết cấu thép nhƣ Jamin steel, Bluescope
Lysaght, Vinapipe, BHP... đã dần dần chuyển giao công nghệ từ nƣớc ngoài
và sản xuất có hiệu quả các dạng kết cấu thép thành mỏng.
Hình 1.3 đến 1.8 thể hiện loại cấu kiện kết cấu và cấu kiện dạng tấm đƣợc làm
từ thanh thành mỏng.


11

Hình 1.3. Tiết diện đơn hở [8]

Hình 1.4. Tiết diện ghép hở [8]

Hình 1.5. Tiết diện ghép kín [8]

Hình 1.6. Tiết diện dùng cho cấu kiện chịu nén, kéo [8]


12

Hình 1.7. Tiết diện dầm và một số cấu kiện chịu uốn khác [8]

Hình 1.8. Các loại tấm mỏng uốn nguội thông dụng
làm sàn, mái và tường [8]
1.1.5. Một số đặc điểm đặc biệt của thanh thành mỏng.
a. Sự cứng nguội.
Khi bị gia công nguội, thép có hiện tƣợng cứng nguội: tăng giới hạn chảy,
tăng giới hạn bền, giảm độ dãn.Khi uốn nguội, thép bị làm cứng nguội nhiều
lần, cả ứng suất chảy và ứng suất bền đều tăng cao. Sự tăng cƣờng độ này
diễn ra không đều trên tiết diện, tùy thuộc vào dụng cụ uốn nguội.Khi dùng