Tính thanh thép rỗng chịu nén đúng tâm và lệch tâm theo tcvn 5575 2012 qui phạm hoa kỳ aisc 360 10 và tiêu chuẩn châu âu ec3 1 1

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN HỮU PHÚC

TÍNH THANH THÉP RỖNG CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM VÀ
LỆCH TÂM THEO TCVN 5575:2012, QUY PHẠM HOA KỲ
AISC 360-10 VÀ TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EC3.1.1

Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. PHẠM VĂN HỘI

Đà Nẵng - Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác.
Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm về nội dung và tính trung thực của đề tài
nghiên cứu này.
Tác giả luận văn

Trần Hữu Phúc

MỤC LỤC

TRANG BÌA
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
TRANG TĨM TẮT LUẬN VĂN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 1
4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 1
5. Cơ sở khoa học và thực tiễn..................................................................................... 1
6. Kết quả đạt được ..................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN TIẾT DIỆN RỖNG ................................ 2
1.1. Đại cương về cấu kiện tiết diện rỗng .................................................................... 2
1.1.1. Khái niệm ....................................................................................................... 2
1.1.2. Ưu nhược điểm............................................................................................... 2
1.1.3. Tính chất cơ học và hình học của thép hình rỗng .......................................... 3
1.1.4. Phạm vi ứng dụng .......................................................................................... 4
1.2. Tình hình ứng dụng kết cấu thép hình tiết diện rỗng (thép ống) ở Việt Nam và
trên thế giới .................................................................................................................. 5
1.2.1. Tình hình ứng dụng kết cấu thép tiết diện rỗng ở Việt Nam ......................... 5
1.2.2. Tình hình ứng dụng kết cấu thép tiết diện rỗng trên thế giới ......................... 7
CHƯƠNG 2. TÍNH TỐN CẤU KIỆN CHỊU NÉN TIẾT DIỆN RỖNG .................. 12
2.1. Sự làm việc của cấu kiện chịu nén ...................................................................... 12
2.1.1. Khái niệm ..................................................................................................... 12

2.1.2. Lực tới hạn Euler.......................................................................................... 12
2.2. Sự làm việc của cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén .............................................. 13
2.3. Cơ sở thiết kế kết cấu thép .................................................................................. 15
2.3.1. Nguyên tắc chung dùng trong thiết kế ....................................................... 15
2.3.2. Tải trọng kế sử dụng trong thiết kế ............................................................ 19
2.3.3. Vật liệu thép sử dụng theo các tiêu chuẩn thiết kế .................................... 27


2.3.4. Sự khác nhau giữa cấu kiện rỗng và đặc .................................................... 31
2.4. Tính tốn cấu kiện chịu nén tiết diện rỗng ......................................................... 31
2.4.1. Tính tốn cấu kiện chịu nén tiết diện rỗng theo TCVN 5575:2012 ............. 31
2.4.2. Tính tốn cấu kiện chịu nén tiết diện rỗng theo tiêu chuẩn EN 1993-11:2005 ..................................................................................................................... 40
2.4.3. Tính tốn cấu kiện chịu nén tiết diện rỗng theo tiêu chuẩn Hoa KỳAISC
360-10: ................................................................................................................... 51
2.5. Bảng so sánh giữa các tiêu chuẩn: tiêu chuẩn Việt Nam, tiêu chuẩn châu Âu và
tiêu chuẩn Hoa Kỳ. .................................................................................................... 62
CHƯƠNG 3. VÍ DỤ TÍNH TỐN ............................................................................... 64
3.1. Tính tốn cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén đúng tâm: ........................................ 64
3.1.1. Tính tốn theo TCVN 5575:2012 ................................................................ 65
3.1.2. Tính tốn theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-1:2005 .............................. 66
3.1.3. Tính tốn theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ AISC 360-10 ......................................... 66
3.1.4. Tính tốn với một số ví dụ khác................................................................... 68
3.1.5. Nhận xét ....................................................................................................... 69
3.2. Tính tốn cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén lệch tâm ........................................... 70
3.2.1. Tính tốn theo TCVN 5575:2012 ................................................................ 71
3.2.2. Tính tốn theo tiêu chuẩn Châu Âu EN 1993-1-1:2005 .............................. 73
3.2.3. Tính tốn theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ AISC 360-10 ......................................... 74
3.2.4. Tính tốn với một số ví dụ khác................................................................... 74
3.2.5. Nhận xét ....................................................................................................... 76
3.3. Nhận xét chung ................................................................................................... 77

KẾT LUẬN ................................................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 80
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BIỆN.


TRANG TĨM TẮT LUẬN VĂN
TÍNH THANH THÉP RỖNG CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM VÀ
LỆCH TÂM THEO TCVN 5575:2012 , QUI PHẠM HOA KỲ AISC 360-10
VÀ TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EC3.1.1
Học viên: Trần Hữu Phúc
Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số:
Khóa: K34 (2017-2019) Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Luận văn đưa ra một cách tổng quan những vấn đề về cấu kiện tiết diện rỗng,
sự làm việc của cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén. Sau đó tính tốn cấu kiện tiết diện rỗng
chịu nén đúng tâm và lệch tâm theo tiêu chuẩn Việt Nam, Quy phạm Hoa Kỳ và tiêu
chuẩn Châu Âu, so sánh được khả năng chịu lực tới hạn của cấu kiện thép tiết diện rỗng
trong hai trường hợp nén đúng tâm và nén lệch tâm giữa ba tiêu chuẩn. Kết quả là cấu
kiện tiết diện rỗng chịu nén đúng tâm tính theo Quy phạm Hoa Kỳ lớn hơn tiêu chuẩn
Việt Nam và nhỏ hơn tiêu chuẩn châu Âu; cấu kiện tiết diện rỗng nén lệch tâm tính theo
Quy phạm Hoa Kỳ nhỏ hơn tiêu chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Châu Âu. Từ đó đưa ra
cơng thức tính giá trị lực tới hạn gần đúng đơn giản nhất phục vụ cho bài toán thiết kế sơ
bộ ban đầu.
Từ khóa - tính thanh thép rỗng, nén đúng tâm, nén lệch tâm, Việt Nam, Châu Âu, Hoa
Kỳ.

CALCULATION OF HOLLOW STEEL BARS SUBJECT TO PROPER
COMPRESSION AND ECCENTRICITY IN ACCORDANCE WITH TCVN 5575:

2012, US REGULATIONS AISC 360-10 AND EUROPEAN STANDARDS EC3.1.1
Abstract - The thesis provides an overview of the issues of hollow section components,
the work of compressed cross-section components. Then calculate the hollow cross
section with the right center and eccentric compression according to Vietnam standards,
US Rules and European standards, comparing the critical bearing capacity of hollow
section steel components in two case of right center compression and eccentric
compression between the three standards. As a result, the hollow cross-section
components subjected to the right compression under the US Rules are greater than
Vietnamese standards and smaller than European standards; The structure of hollow cross
section of eccentricity under American Rules is smaller than Vietnamese standards and
European standards. Since then, the formula for calculating the simplest approximate
critical force value for the initial preliminary design problem.
Key words - properties hollow steel bar, compressed axially, eccentric compression,
Vietnam, Europe, United States.


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
a) Các đặc trưng hình học
A

diện tích tiết diện nguyên

An

diện tích tiết diện thực

Af

diện tích tiết diện bản cánh

Aw

diện tích tiết diện bản bụng

Aeff

diện tích hiệu dụng của tiết diện khi tính tốn tiết diện mảnh

b

chiều rộng của tiết diện

h

chiều cao của tiết diện

t

chiều dày tiết diện

d

đường kính ngồi của tiết diện

i

bán kính qn tính của tiết diện

imin

bán kính quán tính nhỏ nhất của tiết diện

ix, iy

bán kính quán tính của tiết diện đối với các trục tương ứng x-x, yy

Ix, Iy

các mơmen qn tính của tiết diện nguyên đối với các trục tương
ứng x-x, y-y

Inx, Iny

các mơmen qn tính của tiết diện ngun đối với các trục tương
ứng x-x, y-y

l0

chiều dài tính tốn của cấu kiện chịu nén

lx, ly

chiều dài tính tốn của cấu kiện trong các mặt phẳng vng góc
với các trục tương ứng x-x, y-y

Wx, Wy

môđun chống uốn (mômen kháng) của tiết diện nguyên đối với
các trục tương ứng x-x, y-y

Wnx,min, Wny,min

môđun chống uốn (mômen kháng) nhỏ nhất của tiết diện

thực đối với các trục tương ứng x-x, y-y
Wpl

môđun chống uốn dẻo của tiết diện

Wel,min

môđun chống uốn đàn hồi nhỏ nhât

Weff,min

môđun chống uốn đàn hồi hữu hiệu nhỏ nhất


b) Ngoại lực và nội lực
M

mômen uốn

Mx, My

mômen uốn đối với các trục tương ứng x-x, y-y

MEd

giá trị thiết kế của mômen uốn

N

lực dọc

V

lực cắt

My,Ed

mômen uốn thiết kế trục y-y

Mz,Ed

mômen uốn thiết kế trục z-z

Mc,Rd

khả năng chịu uốn của tiết diện đối với 1 trục chính

Nb,Rd

khả năng chịu nén của tiết diện theo điều kiện ổn định

Nc,Rd

khả năng chịu nén của tiết diện theo điều kiện bền

NEd

giá trị thiết kế của lực nén dọc trục

Npl,Rd

khả năng chịu nén khi thiết kế dẻo của tiết diện

NRd

khả năng chịu nén của tiết diện

∆MEd

mômen tăng thêm do dịch chuyển tâm của tiết diện đối với tiết
diện mảnh loại 4

VEd

giá trị thiết kế của lực cắt

Vc,Rd

khả năng chịu cắt của tiết diện

Vpl,Rd

khả năng chịu nén khi tính tốn dẻo của tiết diện

c) Cường độ và ứng suất
E

môđun đàn hồi

fy

cường độ tiêu chuẩn lấy theo giới hạn chảy của thép

fu

cường độ tiêu chuẩn của thép lấy theo sức bền kéo đứt

f

cường độ tính tốn của thép chịu kéo, nén, uốn lấy theo giới hạn
chảy

fc

cường độ tính tốn của thép khi ép mặt theo mặt phẳng tì đầu

fv

cường độ tính tốn chịu cắt của thép

fcd

cường độ tính tốn chịu ép mặt theo đường kính con lăn

G

mơđun trượt

σ

ứng suất pháp


d) Kí hiệu các thơng số
cx, cy, nc

các hệ số phụ thuộc vào hình dạng tiết diện dùng để kiểm tra bền
của cột chịu nén lệch tâm

e

độ lệch tâm của lực

m

độ lệch tâm tương đối

me

độ lệch tâm tương đối tính đổi

c

hệ số điều kiện làm việc của kết cấu

M

hệ số độ tin cậy về cường độ

Q

hệ số độ tin cậy về tải trọng
hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện
độ mảnh của cấu kiện
độ mảnh qui ước (

x, y

f /E

độ mảnh tính tốn của cấu kiện đối với các trục tương ứng x-x, y-y
hệ số chiều dài tính tốn của cột
hệ số uốn dọc

e

hệ số giảm cường độ tính tốn khi nén lệch tâm, nén uốn

Cm

hệ số mômen phân bố đều tương đương

α

hệ số khơng hồn chỉnh

M0

hệ số độ xét đến hình dạng tiết diện

M1

hệ số độ xét đến tính không ổn định của cấu kiện khi kiểm tra
hệ số giảm tuỳ theo dạng đường cong uốn dọc

y

hệ số giảm tuỳ theo dạng đường cong uốn dọc (trục y-y)

z

hệ số giảm tuỳ theo dạng đường cong uốn dọc (trục z-z)

kij

các hệ số tương t


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc tính cơ học của thép hình rỗng sản xuất theo phương pháp cán nóng .... 3
Bảng 1.2. So sánh tương đương tên thép rỗng theo các tiêu chuẩn [2] ........................... 3
Bảng 2.1. Phân loại việc sử dụng thép hình rỗng .......................................................... 14
Bảng 2.2. Phân hạng tải trọng sử dụng .......................................................................... 22
Bảng 2.3. Tải trọng áp đặt trên sàn, ban công, cầu thang.............................................. 23
Bảng 2.4. Tổ hợp tải trọng ............................................................................................. 24
Bảng 2.5. Cường độ tính tốn của thép cán nóng và thép ống ...................................... 27

Bảng 2.6. Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính tốn của thép các bon ........... 28
Bảng 2.7. Giá trị danh nghĩa của giới hạn bền fu giới hạn chảy f y của thép tiết diện
rỗng .............................................................................................................. 29
Bảng 2.8. Tính chất một số loại thép được chấp thuận sử dụng theo Quy phạm AISC 30
Bảng 2.9. Hệ số

xác định chiều dài tính tốn của cột có tiết diện khơng đổi ............ 32

Bảng 2.10. Hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện ....................................................... 34
Bảng 2.11. Các hệ số c1, cx, cy, nc ............................................................................... 35
Bảng 2.12. Hệ số α và

................................................................................................ 37

Bảng 2.13. Tỷ số giới hạn

đối với bụng tiết diện rỗng chữ nhật ........................... 41

Bảng 2.14. Tỷ số giới hạn
đối với cánh tiết diện rỗng chữ nhật ............................. 42
Bảng 2.15. Tỷ số giới hạn cho tiết diện d/t cho tiết diện trịn rỗng ............................... 43
Bảng 2.16. Hệ số khơng hồn chỉnh đối với các dạng đường cong .............................. 48
Bảng 2.17. Chọn đường cong uốn dọc cho tiết diện rỗng ............................................. 48
Bảng 2.18. Giá trị NRk = fy Ai, Mi,Rk = fy Wi và ∆ Mi,Ed ................................................ 49
Bảng 2.19. Hệ số tương tác kij cho cấu kiện thép tiết diện rỗng ................................... 49
Bảng 2.20. Hệ số mômen phân bố đều tương đương Cm trong bảng 2.19 .................... 51
Bảng 2.21: Ứng suất cho phép của cấu kiện nén làm bằng thép có ứng suất chảy quy
định là 36 ksi ................................................................................................ 56
Bảng 2.22: Ứng suất cho phép của cấu kiện nén làm bằng thép có ứng suất chảy quy
định là 50 ksi ................................................................................................ 57

Bảng 2.23. So sánh các tiêu chuẩn ................................................................................ 62
Bảng 3.1. Bảng thơng số tính tốn cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén đúng tâm ............. 68
Bảng 3.2. Bảng tiết diện và đặc trưng tiết diện ............................................................. 68
Bảng 3.3. Bảng tổng hợp kết quả tính tốn ................................................................... 69
Bảng 3.4. Bảng thơng số tính tốn cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén lệch tâm .............. 75
Bảng 3.5. Bảng tiết diện và đặc trưng tiết diện ............................................................. 75
Bảng 3.6. Bảng tổng hợp kết quả tính tốn ................................................................... 75


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Tiết diện rỗng .................................................................................................. 2
Hình 1.2. Cầu đi bộ vượt đường sắt ở Thanh Hóa .......................................................... 6
Hình 1.3. Cầu Bình Lợi, quận Bình Thạnh, thành phố Hồ Chí Minh ............................. 6
Hình 1.4. Móng cọc ống thép bến số 2 cảng Cái Lân ..................................................... 7
Hình 1.5. Cầu vượt ngã 6 Gị Vấp, thành phố Hồ Chí Minh........................................... 7
Hình 1.6. Tháp Tokyo Skytree ........................................................................................ 8
Hình 1.7. Tháp Minh Châu Phương Đơng – Thượng Hải ............................................... 9
Hình 1.8. Sân bay Incheon, Hàn Quốc ............................................................................ 9
Hình 1.9. Cầu Forth , Scotland ...................................................................................... 10
Hình 1.10. Sân Quần vợt USTA Arthur Ashe, Hoa Kỳ ................................................ 10
Hình 1.11. Nhà hát Opera de Arame , Coritiba, Brazil ................................................. 11
Hình 1.12. Tịa tháp đơi Petronas, Malaysia ................................................................. 11
Hình 2.1. Các đường cong về uốn dọc .......................................................................... 13
Hình 2.2. So sánh khối lượng cần cho bền đối với uốn dọc của thép hình rỗng và thép
hình hở bằng loại thép S235 [tham khảo] ................................................... 15
Hình 2.3. Tiết diện ngang của thép ống......................................................................... 46
Hình 2.4. Đường cong quan hệ ứng suất tới hạn với độ mảnh ...................................... 52
Hình 2.5. Kết quả nghiên cứu của Hội đồng nghiên cứu về ổn định kết cấu (SSCR) .. 53
Hình 2.6. Chiều dài tính tốn của một số trường hợp đơn giản .................................... 53
Hình 2.7. Sơ đồ chịu nén lệch tâm của cột mảnh .......................................................... 59

Hình 2.8. Quy ước dấu M .............................................................................................. 59
Hình 2.9. Chiều dài hiệu dụng của các cột được lý tưởng hố...................................... 60
Hình 3.1. Cột chịu nén đúng tâm ................................................................................... 64
Hình 3.2. Biểu đồ so sánh 3 tiêu chuẩn cột nén đúng tâm theo Ví dụ 1 ....................... 69
Hình 3.3. Cột chịu nén lệch tâm .................................................................................... 70
Hình 3.4. Biểu đồ so sánh 3 tiêu chuẩn cột nén lệch tâm theo ví dụ 1 .......................... 76


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, thép hình tiết diện rỗng được áp dụng rộng rãi trong các cơng trình
xây dựng do có những đặc tính ưu việt như chịu lực tốt, bền bỉ, độ đồng nhất cao, dễ
lắp đặt, linh hoạt và khả năng chống ăn mòn tốt.
Hiện nay ở Việt Nam việc tính tốn thiết kế cấu kiện thép tiết diện rỗng theo tài
liệu trong nước còn hạn chế, ở nước ta đang sử dụng nhiều loại tài liệu, tiêu chuẩn
khác nhau trên thế giới như Việt Nam, Mỹ, Châu Âu, Nga, Úc…
Do vậy trong khuôn khổ Luận văn sẽ tập trung nghiên cứu tính tốn cấu kiện
thép tiết diện rỗng chịu nén theo tiêu chuẩn Việt Nam, tiêu chuẩn Châu Âu và Quy
phạm Hoa Kỳ.
2. Mục đích nghiên cứu
Áp dụng tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575 – 2012, tiêu chuẩn Châu Âu EN
1993-1-1:2005 và Quy phạm Hoa Kỳ AISC 360-10 để tính tốn cấu kiện thép chịu
nén tiết diện rỗng.
Nghiên cứu lý thuyết tính tốn của cấu kiện thép tiết diện rỗng chịu nén theo tiêu
chuẩn Việt Nam, tiêu chuẩn Châu Âu và Quy phạm Hoa Kỳ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Cấu kiện thép tiết diện rỗng (tiết diện tròn rỗng và tiết diện chữ nhật rỗng).
4. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết dựa trên những tài liệu, tiêu chuẩn, quy phạm trong nước,
tiêu chuẩn Châu Âu và Quy phạm Hoa Kỳ.
5. Cơ sở khoa học và thực tiễn
Cấu kiện thép hình tiết diện rỗng được áp dụng rộng rãi trong các cơng trình xây
dựng hiện nay. Lý thuyết và ví dụ tính tốn sẽ là nguồn tài liệu tham khảo hữu ích cho
người đọc.
6. Kết quả đạt được
Đã hệ thống các biểu thức, phương trình chủ đạo của lý thuyết tính toán cấu kiện
thép tiết diện rỗng chịu nén theo tiêu chuẩn Việt Nam, tiêu chuẩn Châu Âu và Quy
phạm Hoa Kỳ.
So sánh được khả năng chịu lực tới hạn của cấu kiện thép tiết diện rỗng trong
hai trường hợp chịu nén đúng tâm và chịu nén lệch tâm giữa ba tiêu chuẩn: tiêu chuẩn
Việt Nam, tiêu chuẩn Châu Âu và Quy phạm Hoa Kỳ.


2

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ CẤU KIỆN TIẾT DIỆN RỖNG
1.1. Đại cương về cấu kiện tiết diện rỗng
1.1.1. Khái niệm
Tiết diện rỗng (Hollow section) bao gồm các dạng tiết diện kín, hình ống (mặt cắt
vành khăn); hình vng, chữ nhật, tam giác, elip, lục giác, bát giác…Phổ biến nhất là
các tiết diện thép ống hình trịn, hình vng, hình chữ nhật. Ống tròn gọi là tiết diện
tròn rỗng – circular hollow section (CHS) ví dụ: 300x15CHS là đường kính ngồi và
bề dày (mm). Ống chữ nhật gọi là tiết diện chữ nhật rỗng – rectangular hollow section
(RHS) ví dụ 200x100x10 là chiều cao, bề rộng và chiều dày (mm). Có 2 loại tiết diện:
Thép cán nóng (thơng thường) và tiết diện rỗng tạo hình nguội (thép thành mỏng).
z

z

d
y

y

y

a

h

y

y

y
z
b

z

Hình 1.1. Tiết diện rỗng
1.1.2. Ưu nhược điểm
1.1.2.1. Ưu điểm
Nhờ tính chất đối xứng kép và vật liệu được đẩy ra xa trục trung hồ nên các cấu
kiện tiết diện rỗng có mơmen qn tính, mơ men kháng uốn lớn, có nhiều ưu việt về
mặt bền, không chỉ với uốn dọc, xoắn…Các cấu kiện tiết diện rỗng có thể thay thế tốt
cho các cấu kiện tiết diện hở.
Khi thiết kế có thể thay đổi độ bền của cấu kiện mà không thay đổi chiều rộng

hay đường kính bằng cách chỉ thay đổi bề dày hay loại thép hoặc dùng bê tơng nhồi.
Hình dạng đóng kín và góc lượn trịn làm giảm chi phí về chống gỉ và chống ăn
mịn. Khơng gian bên trong cho phép kết hợp chức năng chịu lực với các ứng dụng
khác như chống cháy, thơng gió, sưởi…Việc sử dụng hợp lí tiết diện rỗng tạo điều
kiện cho kết cấu gọn đẹp, dễ đáp ứng yêu cầu công năng, kiến trúc và thẩm mỹ.
Các thanh tiết diện rỗng tròn thường nhẹ và thống gió, phù hợp với các kết cấu
chịu tải trọng thuỷ động hoặc khí động, các trường hợp khác nên sử dụng thanh rỗng
tiết diện hình vng hoặc hình chữ nhật để lắp ráp dễ hơn.


3

Liên kết thường là liên kết trực tiếp, hạn chế sử dụng bản mã hoặc bản gia cường
nên không quá phức tạp trong thi công
1.1.2.2. Nhựơc điểm
Khả năng chịu lực của các tiết diện rỗng là có giới hạn, nhất là kết cấu thành
mỏng có khả năng mất ổn định cục bộ.
Không bảo dưỡng được mặt bên trong, do vậy ngay từ khi thiết kế và chế tạo cần
phải có giải pháp bảo vệ mặt bên trong cột
Giá một dơn vị vật liệu thanh rỗng cao hơn thanh hở tuy vậy việc khai thác các
ưu việt vốn có của thanh rỗng khi thiết kế sẽ có thể đạt được những kết cấu tiết
kiệm hơn.
1.1.3. Tính chất cơ học và hình học của thép hình rỗng
1.1.3.1. Tính chất cơ học
a) Đối với thép hình rỗng cán nóng:
Theo tiêu chuẩn Châu Âu: Các loại thép sử dụng đối với thép hình rỗng được cho
ở bảng 1 trích từ Tiêu chuẩn EN10210, phần 1 “Thép hình rỗng chế tạo theo phương
pháp cán nóng – các điều kiện kĩ thuật
Bảng 1.1. Đặc tính cơ học của thép hình rỗng sản xuất theo phương pháp cán nóng
Giới hạn đàn hồi

danh nghĩa
fy (N/mm2)

Giới hạn bền
chịu kéo
fu (N/mm2)

S235
S275
S355

235
275
355

S460

460

Số hiệu

Độ dãn dài tối thiểu (%)

340-470
370-540
470-630

Dọc
26
24

22

Ngang
24
22
20

550-720

17

15

Ký hiệu chung Snnn: Trong đó S là viết tắt của structure (kết cấu), nnn chỉ số
biểu thị giới hạn chảy của thép (N/mm2). S235 là thép cacbon thấp phổ thông, S275 là
thép cacbon thấp có cường độ khá cao được lấy làm cấp thép cơ bản. Có thể so sánh
tương đương các tên thép hình rỗng theo các tiêu chuẩn như sau:
Bảng 1.2. So sánh tương đương tên thép rỗng theo các tiêu chuẩn [2]
EN
BS 4360
TCVN
GOST
S235
gr.40
CT38
CT3
S275
gr.43
CT42
CT4

S355
gr.50
14Mn2
14G2
Thép hình mỗi nước có đặc trưng hình học rất khác nhau dù cùng là 1 kích cỡ
nên khơng thể thay thế thép hình nước này bằng thép hình nước khác dù là cùng kích
cỡ.
b) Đối với thép hình chế tạo nguội:


4

Vật liệu cơ bản là những tấm tôn cán phẳng (tơn cơ bản) được dùng để sản xuất
thép hình rỗng bằng tạo hình nguội. Có thể xét đến sự tăng giới hạn đàn hồi do cứng
nguội như sau: Giới hạn đàn hồi trung bình fya đựoc xác định bằng thực nghiệm trên
những tiết diện thực hoặc theo công thức:
Fya = fyb + (k.n.t2/A). (fu - fyb)
(1.1)
Trong đó:
fyb, fu : Giới hạn đàn hồi khi kéo và giới hạn phá hoại khi kéo của vật liệu cơ bản
(N/mm2);
t: Chiều dày của tấm tơn cơ bản (mm);
A: Diện tích ngun của tiết diện ngang (mm2);
K: hệ số phụ thuộc vào kiểu tạo hình (k = 7 đối với tạo hình nguội);
n: số lần uốn gập 900 trong thép hình có bán kính cong < 5t
fya không vượt quá fu hoặc 1,2 fyb
1.1.3.2. Tính chất hình học
Dung sai chế tạo thép hình rỗng thường nhỏ hơn so với thép hình hở.
Việc chọn tiết diện thép hình rỗng phụ thuộc các đặc trưng hình học là các đại
lượng quyết định khả năng chịu lực của tiết diện.

1.1.4. Phạm vi ứng dụng
Cấu kiện tiết diện rỗng được áp dụng rộng rãi và trong xây dựng như:
1.1.4.1. Cột, tháp thép, trụ cầu
Tiết diện thép ống nhẹ, thống gió, chống gỉ tốt, độ ổn định theo 2 phương như
nhau nên rất phù hợp cho các tiết diện cột, tháp, trụ cầu có chiều cao lớn. Độ lớn của
mômen uốn tại đầu mút là yếu tố quyết định đối với liên kết. Trước hết phải luôn luôn
xem xét giải pháp liên kết với bản đầu mút không gia cường là giải pháp đơn giản
nhất. Nếu giải pháp này khơng phù hợp thì mới sử dụng sườn gia cố.
1.1.4.2. Dàn lưới không gian
Gồm các phần tử giống nhau được lặp lại (gọi là môđun - cấu trúc tinh thể),
ghép với nhau tạo nên kết cấu. Các mơđun có thể là thẳng, phẳng hoặc ba chiều. Các
phần tử của kết cấu không gian chủ yếu là các thanh tiết diện rỗng (thép ống) chịu nén
hay chịu kéo. Liên kết các thanh của kết cấu khơng gian địi hỏi các nút đặc biệt (nút
cầu hoặc nút trụ).
Kết cấu giàn lưới không gian có những ưu điểm vượt trội: kết cấu nhẹ, khả năng
vượt nhịp lớn, có thể sử dụng thép cường độ cao, tiết kiệm vật liệu, có độ cứng khơng
gian lớn, độ ổn định cao, có tính thẩm mỹ, thích ứng được với nhiều loại cơng trình
với các dạng mặt bằng kiến trúc khác nhau, dễ mơđun hố, thuận tiện cho việc cơng
nghiệp hố q trình chế tạo, dễ vận chuyển lắp dựng, thi công nhanh…
1.1.4.3. Kết cấu hỗn hợp
Là loại kết cấu tiết diện rỗng, bên trong nhồi bê tơng khi độ dày của thành ống có
trên thị trường không đủ cho thanh chịu được tải trọng. Điều này cho phép tất cả các


5

cột trong mọi tầng nhà có cùng kích thước bên ngoài: ở các tầng trên dùng bề dày thực
tế của thép ống ứng với kích thước ngồi, ở các tầng dưới tăng sức chịu tải bằng cách
nhồi bê tông.
Ưu điểm cơ bản của kết cấu hỗn hợp là tăng độ ổn định cục bộ cũng như tổng thể

của kết cấu, khả năng biến dạng tốt hơn kết cấu bê tông cốt thép nên phát huy ưu điểm
trong kháng chấn, phương pháp thi côg hiện đại, hiệu quả kinh tế cao. Tăng khả năng
chịu lửa cho kết cấu thép
1.1.4.4. Ống dẫn chất lỏng, chất khí
Có hiệu quả cao nhờ có hệ số cản nhỏ, tiết diện kín, khơng thấm.
1.2. Tình hình ứng dụng kết cấu thép hình tiết diện rỗng (thép ống) ở Việt Nam
và trên thế giới
1.2.1. Tình hình ứng dụng kết cấu thép tiết diện rỗng ở Việt Nam
Sự phát triển khoa học công nghệ trong những năm qua đã chuyển giao nhiều
ứng dụng thực tế các dạng kết cấu thép sử dụng tiết diện rỗng vào Việt Nam. Đó là các
loại cơng trình nhịp lớn, có hình dạng đặc biệt, yêu cầu thi công nhanh như cầu vượt
bằng thép, nhà ga, nhà triển lãm…Cấu kiện tiết diện rỗng được sử dụng trong các kết
cấu tháp thép, trụ thép như những thanh của dàn phẳng, dàn không gian trong các kết
cấu giàn khoan dầu khí, dàn cầu đường sắt…
Trong đó, phổ biến nhất là kết cấu dàn lưới khơng gian đã được ứng dụng rỗng
rãi trong thực tế như: Kết cấu mái nhà ga sân bay Cam Ranh, Trung tâm Hội nghị quốc
gia, sân vận động quốc gia Mỹ Đình, nhà thi đấu thể dục thể thao Nam Định, Ninh
Bình…Trước nhu cầu về sản xuất thép cán và ứng dụng thực tế và ứng dụng thực tế
các sản phẩm thép mới vào kết cấu, từ cuối những năm 90 ở Việt Nam đã ra đời các
nhà máy sản xuất thép ống:
- Nhà máy ống thép Việt - Đức (VG pipe) được xây dựng tại khu cơng nghiệp
Bình Xun - Tỉnh Vĩnh Phúc. Nhà máy có dây chuyền sản xuất thép ống hiện đại,
công nghệ tiên tiến của CHLB Đức, với công suất 60000 tấn/ năm sản xuất các sản
phẩm ống thép đa dạng, nhiều chủng loại, kích cỡ theo tiêu chuẩn Châu Âu.
- Nhà máy thép ống Saki, phường Hiệp Bình Phước quận Thủ Đức, thành phố Hồ
Chí Minh với diện tích nhà xưởng 100.000m2 với cơng suất thiết kế 100.000 tấn thành
phẩm/năm.
- Công ty thép ống Việt Nam (Vinapipe) là liên doanh sản xuất ống thép giữa
Tổng công ty thép Việt Nam (VSC) với hai tập đoàn thép hàng đầu của Hàn Quốc là
SEAH và POSCO thành lập năm 1993 với công suất 30.000 tấn/năm.

- Nhà máy thép ống Hoà Phát ở Hưng Yên và một số nhà máy thép ống
khác…Sản phẩm thép ống do Việt Nam sản xuất có mặt trên thị trường vào cuối
những năm 90. Chúng được sử dụng cho các cơng trình xây dựng, các kết cấu mái
không gian nhịp lớn của các hội trường, nhà thi đấu, sân vận động, khu triển lãm…
Sau đây giới thiệu hình ảnh các cơng trình sử dụng kết cấu thép ống ở Việt Nam:


6

Hình 1.2. Cầu đi bộ vượt đường sắt ở Thanh Hóa

Hình 1.3. Cầu Bình Lợi, quận Bình Thạnh, thành phố Hồ Chí Minh


7

Hình 1.4. Móng cọc ống thép bến số 2 cảng Cái Lân

Hình 1.5. Cầu vượt ngã 6 Gị Vấp, thành phố Hồ Chí Minh
1.2.2. Tình hình ứng dụng kết cấu thép tiết diện rỗng trên thế giới
So với Việt Nam, trên thế giới đã ứng dụng rất sớm thép hình rỗng vào các cơng
trình đặc biệt là ở các nước công nghiệp phát triển như Hoa Kỳ, Đức, Pháp… Từ thế
kỷ XIX xuất phát từ đòi hỏi của thực tế sử dụng, cùng với những phương pháp cán
nóng thép hình truyền thống dạng I, L hoặc U các thanh thép hình rỗng tiết diện trịn
cũng đã được chế tạo, sản xuất. Trong khi việc chế tạo, sản xuất thép hình rỗng hình
chữ nhật chỉ xuất hiện trong những năm 50 và nhanh chóng phát triển trong những
năm 60.


8

Kết cấu thép sử dụng thanh tiết diện rỗng chữ nhật, tròn ngày càng được sử dụng
rộng rãi và trở nên phổ biến. Hiện nay đã có nhiều cơng trình ứng dụng loại kết cấu
này, chủ yếu là cho các cơng trình nhịp lớn, kết cấu nhẹ như: Phịng trưng bày triển
lãm, trung tâm thương mại, mái sân vận động và các cơng trình khác…
Dưới đây giới thiệu một số hình ảnh các cơng trình sử dụng kết cấu thép ống trên
thế giới:

Hình 1.6. Tháp Tokyo Skytree


9

Hình 1.7. Tháp Minh Châu Phương Đơng – Thượng Hải

Hình 1.8. Sân bay Incheon, Hàn Quốc


10

Hình 1.9. Cầu Forth , Scotland

Hình 1.10. Sân Quần vợt USTA Arthur Ashe, Hoa Kỳ


11

Hình 1.11. Nhà hát Opera de Arame , Coritiba, Brazil

Hình 1.12. Tịa tháp đơi Petronas, Malaysia

12

CHƯƠNG 2- TÍNH TỐN CẤU KIỆN CHỊU NÉN TIẾT DIỆN RỖNG
2.1. Sự làm việc của cấu kiện chịu nén
2.1.1. Khái niệm
Tiết diện chịu nén thông thường là tiết diện chữ I cánh rộng (tiết diện W) hoặc
tiết diện ống tròn (tròn hay chữ nhật). Loại tiết diện này đối xứng hai trục nên khi chịu
lực không xảy ra oằn xoắn, độ cứng uốn theo hai trục không khác nhau nhiều nên chịu
lực tốt theo cả hai phương. Dùng tiết diện chữ I thường (tiết diện S) cho cấu kiện nén
không có lợi vì độ cứng đối với trục yếu của tiết diện là rất nhỏ. Ngồi ra, cũng có thể
dùng các tiết diện C, T (ghép hai thép góc) hoặc các tiết diện không đối xứng khác cho
các cấu kiện chịu nén. Khi đó phải xét vấn đề oằn uốn xoắn của cấu kiện. Các cấu kiện
rỗng tổ hợp được áp dụng có lợi khi có chiều dài lớn, hay khi muốn đảm bảo độ chịu
lực đồng đều theo các phương.
Một cấu kiện chịu nén đúng tâm, ngoài việc bị phá hoại về chảy dẻo như cấu kiện
chịu kéo, còn có thể bị mất ổn định (bị oằn) theo các dạng khác nhau: oằn do uốn dọc,
oằn do xoắn và oằn do uốn xoắn. Với tiết diện đối xứng hai trục, trong hầu hết các
trường hợp chỉ có thể bị oằn do uốn dọc, cn với tiết diện 1 trục đối xứng hoặc với tiết
diện bất kì khơng đối xứng có thể bị oằn theo cả ba cách.
2.1.2. Lực tới hạn Euler
Cấu kiện nén đúng tâm sẽ mất ổn định do uốn dọc khi lực nén đạt giá trị lực giới
hạn, xác định theo cơng thức Euler quen thuộc:
(2.1)

((

Trong đó: E - mô đun đàn hồi của thép;
I - mô men quán tính nhỏ nhất của tiết diện;

L - chiều dài giữa các gối tựa của cấu kiện;
K là hệ số chiều dài tính tốn, tùy thuộc liên kết tại các gối tựa. KL là
chiều dài tính tốn (hay chiều dài oằn) của cấu kiện, là chiều dài quy đổi về một cấu
kiện hai đầu liên kết khớp (tức là K=1) để có cùng lực tới hạn Euler. Ứng suất tới hạn
Euler là:
((

(2.2)

Đặt r2= I/A là bán kính quán tính đối với trục yếu của tiết diện, và gọi KL/r là độ
mảnh của cấu kiện, ta có:
(

(2.3)


13

Đây là công thức kinh điển của ứng suất tới hạn Euler theo độ mảnh. Đường
cong quan hệt Fe và KL/r là một đường hyperbol thường gọi là hyrperbol Euler. Công
thức Euler được lập với giả thiết mô đun đàn hồi E là không đổi tức là chỉ đúng khi vật
liệu làm việc đàn hồi, hay Fe ≤ Fp, với Fp là giới hạn tỷ lệ của thép.
2.2. Sự làm việc của cấu kiện tiết diện rỗng chịu nén [2]
Khi cấu kiện tiết diện rỗng làm chịu nén, lực tới hạn phụ thuộc vào độ mảnh

l0
i

(2.4)

Trong đó: l0 - Chiều dài tính tốn
i – Bán kính qn tính của tiết diện ngang của thép hình.
Nhận xét: Các tiết diện có diện tích tương đương thì bán kính qn tính của thép
hình rỗng thường lớn hơn nhiều so với bán kính quán tính của tiết diện hở. Với một
chiều dài cho trước, bán kính quán tính lớn sẽ làm cho độ mảnh giảm, từ đó khả năng
chịu lực cao hơn và do vậy tiết diện rỗng có trọng lượng tiết kiệm hơn so với tiết diện
hở. Khả năng uốn dọc phụ thuộc vào độ lệch tâm ban đầu, những sai sót về hình dạng
hình học của thép hình, ứng suất dư, mức độ không đồng nhất của vật liệu thép và
quan hệ ứng suất - biến dạng của thép.

Hình 2.1. Các đường cong về uốn dọc
Dựa trên nhiều nghiên cứu trong khuôn khổ của công ước Châu Âu về Kết cấu
kim loại, Eurocode 3 đã thiết lập “những đường cong uốn dọc” đối với các loại thép
hình chính trong đó có thanh tiết diện ống.
Hệ số giảm trên hình là tỉ số giữa độ bền tính tốn về uốn dọc Nb, Rd và độ bền
dẻo của tiết diện Npl, Rd;

N b ,Rd
N pl ,Rd

fb ,Rd
f y ,d

(2.5)


14

Trong đó:

Nb ,Rd
A

fb,Rd

fy

f y ,d

:

: Ứng suất tính tốn uốn dọc;

Giới hạn đàn hồi khi thiết kế;

M

Hệ số an toàn riêng phần.

M:

Độ mảnh khơng thứ ngun

cho bởi cơng thức
E

Trong đó :

E
; Độ mảnh Euler.

fy

E

Bảng 2.1. Phân loại việc sử dụng thép hình rỗng

Tiết diện ngang

t

z

y

y
a
z

xuất

dọc

fy ≥ 420 N/mm2
y

y
h

d

y

Đường cong uốn

Tạo hình nóng

z
y

Cách thức sản

z
b

Tạo hình nóng
Tạo hình nguội
sử dụng fyb
Tạo hình nguội
sử dụng fya

a0
a
b
c

fyb : Giới hạn đàn hồi của vật liệu cơ bản
fya : Giới hạn đàn hồi trung bình của thép hình tạo nguội
Đối với các loại thép thơng thường, phần lớn các thép hình mặt cắt hở tn theo
các đường cong b hoặc c. Chính vì vậy, việc sử dụng các thanh thép hình tiết diện rỗng
sản xuất nóng thì tiết kiệm được vật liệu hơn so với các loại thép hình khác.

Trên hình 2.2 so sánh khối lượng cần thiết của thép hình tiết diện hở và thép hình
tiết diện rỗng tương ứng với thanh có chiều dài uốn dọc là 3m và chịu một lực nén cho
trước.


15

Hình 2.2. So sánh khối lượng cần cho bền đối với uốn dọc của thép hình rỗng và thép
hình hở bằng loại thép S235 [tham khảo]
Với cùng một diện tích tương đương, khả năng chịu uốn dọc của thép hình rỗng
tốt hơn khi tỉ số giữa kích thước ngang và chiều dày thành tăng lên. Tuy nhiên sự tăng
này dẫn tới nguy cơ phá hoại do oằn cục bộ của thành tiết diện rỗng. Để tránh nguy cơ
này, cần tuân theo những giới hạn của b/t hoặc d/t đưa ra trong Eurocode 3.
2.3. Cơ sở thiết kế kết cấu thép
2.3.1. Nguyên tắc chung dùng trong thiết kế
2.3.1.1. Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo TCVN 5575:2012
a) Trạng thái giới hạn theo TCXDVN 5575:2012
Tiêu chuẩn TCXDVN 5575:2012 sử dụng phương pháp tính tốn kết cấu theo
trạng thái giới hạn (TTGH).
Mục đích của việc tính tốn kết cấu là đảm bảo cho kết cấu không bị vượt quá
trạng thái giới hạn khiến cho chúng không thể sử dụng được nữa, trong khi vẫn đảm
bảo ít tốn kém nhất về vật liệu cũng như nhân công chế tạo và lắp dựng.
Trạng thái giới hạn là trạng thái mà khi vượt quá thì kết cấu khơng cịn thoả mãn
các u cầu sử dụng hoặc dựng lắp. Đối với kết cấu chịu lực người ta xét các trạng thái
giới hạn sau:
Nhóm TTGH thứ nhất: mất khả năng chịu lực hoặc khơng cịn sử dụng được nữa.
Nhóm TTGH thứ hai: khơng cịn sử dụng bình thường được nữa.