(Luận văn thạc sĩ) tính toán ổn định tổng thể dầm thép tiết diện chữ i theo TCVN 5575 2012 và tiêu chuẩn AISC 360 10

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CƠNG NGHIỆP LONG AN

NGUYỄN HỒI SƠN

TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ DẦM THÉP
TIẾT DIỆN CHỮ I THEO TCVN 5575:2012 VÀ
TIÊU CHUẨN AISC 360-10

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 8.58.02.01
Người hướng dẫn khoa học: TS. Đỗ Đại Thắng

Long An – 2019


i

LỜI CAM ĐOAN
Ngoài những kết quả tham khảo từ những nghiên cứu khác như đã được ghi
trong luận văn, tôi xin cam kết rằng luận văn này là do chính bản thân thực hiện và
chỉ được nộp tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An.
Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là
hoàn toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nghiên cứu nào khác.
Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm ơn và các thơng tin
trích dẫn đều được ghi rõ nguồn gốc.
Long An, ngày tháng năm 2019
Học viên thực hiện

Nguyễn Hoài Sơn


ii

LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời gian học tập và nghiên cứu các tài liệu, đồng thời qua việc giảng
dạy, truyền đạt các kiến thức từ các thầy cô, cùng với sự cố gắng, nỗ lực của bản
thân, tôi đã được giao nhận đề tài “Tính tốn ổn định tổng thể dầm thép tiết diện
chữ I theo TCVN 5575:2012 và tiêu chuẩn AISC 360-10”
Đề tài được tiến hành nghiên cứu về lý thuyết ổn định tổng thể của dầm thép
tiết diện chữ I theo tiêu chuẩn Việt nam và tiêu chuẩn Mỹ, đồng thời đưa ra một số
ví dụ để so sánh giữa hai tiêu chuẩn. Tuy nhiên vì thời gian có hạn nên trong luận
văn này chỉ đề cập đến loại dầm tiết diện chữ I (đối xứng) chịu uốn tổng thể.
Với tất cả sự kính trọng và biết ơn sâu sắc với Ban giám hiệu Trường Đại học
Kinh tế Công nghiệp Long An cùng với tập thể giảng viên giàu kinh nghiệm trong
lĩnh vực ngành kỹ thuật xây dựng nói riêng và các ngành khác nói chung, đã tạo
điều kiện cho học viên trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn cao
học này.
Do thời gian cùng với sự hiểu biết của bản thân vẫn còn hạn chế và đề tài
nghiên cứu về so sánh tiêu chuẩn, nên vấn đề đưa ra trong Luận văn khơng khỏi có
việc thiếu sót. Nhân đây, tơi xin chân thành cảm ơn thầy TS.Đỗ Đại Thắng cùng
tập thể các thầy cô, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền đạt kiến
thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành nội dung luận
văn. Tơi rất mong nhận được sự hướng dẫn, góp ý từ các thầy cơ và những người
quan tâm đến lĩnh vực này để đề tài nghiên cứu được hồn thiện hơn nữa. Đó cũng
chính là sự giúp đỡ q báo nhất để tơi hồn thiện hơn trong q trình học tập,
nghiên cứu và cơng tác sau này.
Long An, ngày tháng năm 2019
Học viên thực hiện

Nguyễn Hoài Sơn


iii

NỘI DUNG TĨM TẮT
ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ DẦM THÉP TIẾT DIỆN
CHỮ I THEO TCVN 5575 - 2012 VÀ TIÊU CHUẨN AISC 360-10
Kết cấu thép là kết cấu thanh mảnh, bề dày của chúng nhỏ so với bề rộng. Dẫn
đến kết cấu thép dễ bị mất ổn định. Mất ổn định trong kết cấu thép là nguyên nhân
phá hoại chính. Theo tiêu chuẩn TCVN 5575 - 2012 quy định về thiết kế kết cấu
thép thì phần quy định liên quan đến mất ổn định chiếm chủ yếu. Hiện nay q trình
tồn cầu hóa phát triển nhanh chóng, nhu cầu sử dụng kết cấu thép trong ngành xây
dựng phát triển mạnh mẽ, dẫn đến việc nghiên cứu tìm hiểu về tiêu chuẩn nước
ngoài như AISC (Mỹ), BS5950 (Anh), Eurocode (Châu Âu)… là rất cần thiết. Trong
đó, tiêu chuẩn Mỹ AISC quy định chi tiết và có nhiều ví dụ thiết kế giúp cho người
kỹ sư dễ hiểu và áp dụng
Khi thiết kế dầm chịu tải trọng trong mặt phẳng uốn, do thông thường tải trọng
đặt theo phương thẳng đứng. Dầm chịu moment uốn Mx, dầm chịu uốn và phát sinh
biến dạng trong mặt phẳng tác dụng của tải trọng. Khi tăng tải trọng đến một giá trị
nào đó mà dầm khơng cịn chịu uốn trong mặt phẳng chịu lực x-x của dầm được
nữa, nên dầm phát sinh moment biến dạng ở ngoài mặt phẳng uốn M y theo phương
y-y và cả moment xoắn T. Hai moment M y và T trong q trình tính tốn khơng
được xét đến nên có thể dầm bị phá hoại. Trường hợp này dầm vừa chịu uốn vừa
chịu xoắn và bị vênh ra khỏi mặt phẳng chịu uốn, dầm mất khả năng chịu lực. Hiện
tượng đó là mất ổn định tổng thể (global buckling) hoặc còn được gọi là dầm bị oằn
ngang (lateral torsional buckling).
Nguyên nhân: Khi chịu lực tác dụng từ trên xuống theo phương thẳng đứng
(khơng có lực nào tác dụng theo phương ngang), tiết diện dầm chữ I được chia ra

thành 2 phần chịu nén và chịu kéo, hai phần này phân chia bởi trục trung hịa (như
hình 1b). Bản cánh dưới và một phần bản bụng dưới chịu nén có xu hướng mất ổn
định giống như cột chịu nén. Trong khi đó bản cánh trên và một phần bản bụng trên
chịu kéo có xu hướng kéo căng dầm. Tổng hợp hai phần dẫn đến dầm bị uốn theo
phương ngang My và bị xoắn (oằn ngang).


iv
Khi tải trọng nhỏ thì dầm bị uốn theo phương trong mặt phẳng của nó. Khi tải
trọng tăng lên và đạt đến một mức nào đó dầm sẽ mất ổn định (oằn ngang), giá trị
moment làm dầm bắt đầu oằn ngang gọi là moment tới hạn Mcr
Công thức tổng quát cho các trường hợp dầm tiết diện chữ I mất ổn định tổng
thể với các trục x,y, z.
C

Γ

Luận văn nghiên cứu tính tốn ổn định tổng thể của dẩm thép tiết diện chữ I
theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575-2012 và theo tiêu chuẩn Mỹ AISC 360-10.
Đầu tiên lý thuyết về ổn định dầm thép tiết diện chữ I, trong đó giá trị moment tới
hạn về mất ổn định tổng thể cho trường hợp khác nhau của tải trọng được nghiên
cứu. Tiếp theo quy định thiết kế ổn định tổng thể của dầm tiết diện chữ I theo tiêu
chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn Mỹ được nghiên cứu và so sánh. Có 2 ví dụ minh họa
cho các bài tốn được trình bày. Từ đó, rút ra được các đặc điểm giống và khác theo
2 tiêu chuẩn trên khi thiết kế dầm mất ổn định tổng thể.
Lập chương trình tự động hóa kiểm tra ổn định tổng thể dầm thép theo TCVN
5575:2012 và tiêu chuẩn AISC 360-10.
Nghiên cứu phát triển lý thuyết hoặc tín hành thực nghiệm để xây dựng công
thức xác định một hệ số điều chỉnh theo hai tiêu chuẩn.
Ngoài việc nghiên cứu về mất ổn định tổng thể có nghiên cứu về ổn định cục

bộ hoặc có thể nghiên cứu dầm tiết diện chữ I không đối xứng hoặc dầm có tiết diện
thay đổi.


v

ABSTRACT
TOPIC:A COMPARATIVE STUDY OF VIETNAM STANDARD TCVN
5575-2012 AND AMERICAN STANDARD AISC 360-10 ABOUT LATERAL
TORSIONAL BUCKLING OF THE STEEL I-BEAM
Steel structures are slender structures, their thickness is small compared to the
width. Leading to structural steel is prone to instability. Instability in steel structures
is the main cause of sabotage. According to the standard TCVN 5575 - 2012, which
prescribes steel structure design, the provisions related to instability account for the
majority. Currently, the process of globalization is developing rapidly, the demand
for using steel structures in the construction industry is strongly developed, leading
to research and study on foreign standards such as AISC (USA), BS5950 (UK). ,
Eurocode (Europe) ... is very necessary. In particular, the American Standard AISC
specifies in detail and there are many design examples that help engineers
understand and apply.
When designing a girder, the load is applied in the bending plane, because the
load is normally placed vertically. Beam subjected to bending moment Mx, beam
subjected to bending and generating deformation in the plane of effect of the load.
When increasing the load to a certain value, the beam can no longer bend in the
bearing plane xx of the beam, so the beam generates the deformation moment
outside the bending plane My in the yy direction and the torsional torque T. My and
T moments in the calculation process are not considered, so the beams may be
damaged. In this case, the girder is both flexed and twisted and buckled out of the
bending plane, the beam loses its bearing capacity. The phenomenon is global
buckling or also known as lateral torsional buckling.

Cause: When the force is applied from the top down in a vertical direction (no
force is applied in the horizontal direction), the I-beam cross-section is divided into
two sections subject to compression and tensile, these two sections are divided by
Neutral axis (as shown in Figure 1b). The lower wing and the part of the lower
abdomen subject to compression tend to be as unstable as the compression column.


vi
Whereas the upper wing and the upper part of the upper abdomen are subject to
tension. Combining the two parts, the beam will be bent in the horizontal direction
My and twisted (warped horizontally).
When the load is small, the beam is bent vertically in its plane. As the load
increases and a certain level of beams becomes unstable (horizontal buckling), the
value of the moment that the beam begins to warp is called the critical moment Mcr.
General formula for cases of I-section cross-sections with total instability with
x, y, and z axes.
C

Γ

The Lateral Torsional Buckling (LTB) of the steel I-beam according to
Vietnam Standard TCVN 5575-2012 and American Standard AISC 360-10. Firstly,
the theory of LTB of the steel I-beam, in which the critical moment value of LTB for
different cases of load is studied. Next, the regulation of the LTB design of I-beams
according to Vietnamese Standard and American Standard are considered and
compared. There are 2 examples to illustrate the problems presented. Finally, about
the similar and different characteristics according to two standards in LTB design.
Program automation automation to check the overall stability of steel beams
according to TCVN 5575: 2012 and standard AISC 360-10
Research to develop theory or empirical credit to develop a formula for

determining a correction factor according to two criteria
In addition to the study of overall instability, there are also studies of local
stability or it can be studied asymmetrical I-shaped beams or changed cross-section
beams.


vii

MỤC LỤC
MỤC LỤC............................................................................................................................................... i
DANH MỤC KÝ HIỆU.................................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH........................................................................................................ xiiiii
DANH MỤC BẢNG BIỂU.................................................................................................... xiviii
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................................................ i
PHẦN MỞ ĐẦU............................................................................................................................... xv
1. Đặt vấn đề......................................................................................................................................... xv
2. Lý do chọn đề tài........................................................................................................................... xv
3. Những nghiên cứu trước đây................................................................................................... xvi
3.1. Nghiên cứu trong nước........................................................................................................... xvi
3.2. Nghiên cứu nước ngoài......................................................................................................... xvii
4. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................................. xviii
5. Phạm vi nghiên cứu.................................................................................................................. xviii
6. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................................ xviii
7. Nội dung luận văn........................................................................................................................ xix
CHƯƠNG I -LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH KẾT CẤU THÉP.............................................. 1
1.1 Khái quát về ổn định.................................................................................................................... 1
1.2 Các dạng mất ổn định.................................................................................................................. 1
1.2.1 Các vấn đề liên quan đến ổn định của dầm...................................................................... 2
1.2.2 Mất ổn định cục bộ (Local buckling)................................................................................. 2
1.2.2.1 Mất ổn định cục bộ bản cánh chịu nén.......................................................................... 3

1.2.2.2 Mất ổn định cục bộ bản bụng............................................................................................ 4
1.2.3. Mất ổn định tổng thể (Lateral Torsional Buckling)..................................................... 5
1.2.3.1 Phân biệt dầm uốn trong mặt phẳng và ngồi mặt phẳng....................................... 8
1.2.3.2 Lý thuyết tính tốn ổn định tổng thể............................................................................... 8
1.2.3.3 Cơng thức moment tới hạn tổng quát........................................................................... 14
1.3 Kết luận........................................................................................................................................... 15


viii
CHƯƠNG 2 - NGUN LÝ TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ DẦM
THÉP TIẾT DIỆN CHỮ I ..................................................................................
2.1. Quy định tính toán ổn định tổng thể dầm thép tiết diện chữ I theo TCVN
5575:2012 .............................................................................................................
2.1.1 Một số bài toán dầm chữ I chịu tải trọng đặt tại các vị trí khác nhau trên tiết
diện .......................................................................................................................
2.1.2. Tính tốn ổn định tổng thể dầm thép tiết diện chữ I theo TCVN 5575:2012 . 18

2.2 Quy định tính tốn ổn định dầm thép tiết diện chữ I tiêu chuẩn AISC 360-10. .
2.2.1. Một số quy định tính tốn theo phương pháp LRFD ....................................
2.2.2. Quy định về độ mảnh của bản cánh và bản bụng..........................................
2.2.3. Quy định về độ bền danh nghĩa Mn của dầm thép tiết diện chữ I .................
2.2.3.1 Khi Lb2.2.3.2 Khi Lp < Lb < Lr .......................................................................................
2.2.3.3 Khi Lb > Lr................................................................................................
2.2.3.4 Hệ số Cb ....................................................................................................
2.2.3.5 Cơng thức tính độ bền uốn danh nghĩa cho các trường hợp của dầm thép tiết
diện chữ I ..............................................................................................................
2.3 So sánh hai tiêu chuẩn .....................................................................................
CHƯƠNG 3 - CÁC VÍ DỤ TÍNH TỐN...........................................................
3.1Ví dụ 1..............................................................................................................

3.1.1 Các thơng số tính tốn ..................................................................................
3.1.2. Tính tốn ổn định tổng thể theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575: 2012 . 40

3.1.3

Tính toán ổn định tổng thể theo tiêu chu

thiết kế theo hệ số tải trọng và bền LRFD...........................................................
3.1.4

Nhận xét, so sánh ..................................

4.2 Ví dụ 2: ...........................................................................................................
4.2.1

Các thơng số tính tốn ...............................

4.2.2
Tính tốn ổn định tổng thể theo tiêu chu
4.2.3. Tính tốn ổn định tổng thể theo tiêu chuẩn AISC 360-10 bằng phương pháp
thiết kế theo hệ số tải trọng và bền LRFD
4.3.4 Nhận xét......................................................................................................................


ix
CHƯƠNG 4 -KẾT LUẬN............................................................................................................ 48
4.1 Kết luận........................................................................................................................................... 48
4.2 Kiến nghị và hướng phát triển đề tài................................................................................... 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................ 51

x

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
A Diện tích tiết diện nguyên
Af

Diện tích tiết diện cánh

A

Diện tích tiết diện bản bụng

w

b Chiều rộng

bf

Chiều rộng bản cánh

C

Hệ số xét đến sự biến đổi mô men dọc chiều dài của thanh

b

D Tĩnh tải
h Chiều cao của tiết diện dầm
hw

Chiều cao của bản bụng

hf

Khoảng cách trọng tâm hai cánh nén

k

Ιt
Ιx
Ιy

Mơmen qn tính của tiết diện dầm khi xoắn
Mơmen qn tính của tiết diện ngun đối với trục x-x
Mơmen qn tính của tiết diện ngun đối với trục y-y
l Chiều dài nhịp của dầm

l0

Chiều dài tính toán của bản cánh chịu nén

Lb

Khoảng cách giữa hai giằng

Lr

Khoảng cách lớn nhất giữa hai giằng
t Chiều dày bản bụng

tf

Chiều dày của bản cánh

tw
W

Chiều dày của bản bụng

W

Môđun chống uốn (mômen kháng) của tiết diện nguyên đối với trục x-x

x

W

Môđun chống uốn (mômen kháng) nhỏ nhất của tiết diện thực đối với trục tính tốn
Mơđun chống uốn (mơmen kháng) của tiết diện nguyên đối với trục y-y

y

P Lực tập trung
Pc
r

Pu
Pe

Tải trọng tới hạn
Lực dọc đã kể đến hệ số của cấu kiện
Tải trọng mất ổn định
q Tải trọng phân bố đều


MMômen uốn


xi

Mcr

Mômen tới hạn

Mu

Mômen uốn ndanh nghĩa

Mp

Mômen dẻo

E Môđun đàn hồi của thép
ETải trọng động đất
Fy

Cường độ chảy dẽo

Fcr

Ứng suất mất ổn định cực hạn chịu nén

fy

Cường độ tiêu chuẩn lấy theo giới hạn chảy của thép

γc

Hệ số điều kiện làm việc của kết cấu

λ Độ mảnh của cấu kiện (λ = lo/i)
λp

Độ mảnh giới hạn của phần tử đặc chắc

λr

Độ mảnh giới hạn của phần tử không đặc chắc

ΦRn

Độ bền thiết kế

Rn

Cường độ danh nghĩa

λf

Độ mảnh của bản cánh

λw

Độ mảnh của bản bụng

λpw

Độ đặc chắc của bản bụng

λrf

Độ không đặc chắc của bản cánh

λrw

Độ không đặc chắc của bản bụng
λ Độ mảnh qui ước ( λ = λ f / E )

Độ mảnh qui ước của bản bụng (

λw

λx

x-x
Độ mảnh tính tốn của cấu kiện trong mặt phẳng vng
tươnggóc
ứngvới
y- trục

λy

y
Độ mảnh tính tốn của cấu kiện trong mặt phẳng vng
góc với trục
ϕ Hệ số uốn dọc

ϕb

Hệ số giảm cường độ tính tốn khi mất ổn định dạng uốn xoắn
ψ Hệ số xác định hệ số ϕb khi tính tốn ổn định của dầm

JMơ men qn tính khi xoắn
Γ Hệ số vênh của tiết diện
C1

Hệ số tải trọng


xii
K Hệ số phụ thuộc vào vì trí đặc lực
WTải trọng gió


xiii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1. 1 Mất ổn định cục bộ của dầm tiết diện chữ I............................................................ 3
Hình 1. 2 Mất ổn định cục bộ bản cánh chịu nén..................................................................... 4

Hình 1. 3 Mất ổn định bụng dầm dưới tác dụng ứng suất tiếp............................................ 5
Hình 1. 4 Mất ổn định bản bụng dầm dưới tác dụng ứng suất pháp.................................. 5
Hình 1. 5 Dầm bị mất ổn định tổng thề (bị oằn ngang).......................................................... 6
Hình 1. 6 Tải trọng tác dụng lên dầm tiết diện chữ I............................................................... 6
Hình 1. 7 Dầm tiết diện chữ I mất ổn định tổng thể................................................................ 7
Hình 1. 8 Mặt cắt ngang tiết diện chữ I khi chịu lực tác dụng............................................. 7
Hình 1. 9 Dầm đơn giản chịu moment uốn thuần túy............................................................. 8
Hình 1. 10 Dầm tiết diện chữ I năng lượng xoắn..................................................................... 9
Hình 1. 11 Chuyển vị của dầm tiết diện chữ I......................................................................... 10
Hình 1. 12 Chuyển vị của dầm khi mất ổn định tổng thể................................................... 14
Hình 2. 1 Dầm hàn tiết diện chữ I................................................................................................ 21
Hình 2. 2 Lưu đồ tính tốn hệ số ϕb............................................................................................ 22
Hình 2. 3 Lưu đồ phân loại tiết diện dầm theo điều kiện cục bộ..................................... 27
Hình 2. 4 Mối quan hệ giữa moment uốn Mn và độ mãnh λf............................................ 29
Hình 2. 5 Mối quan hệ giữa moment uốn danh định Mn và độ mảnh λw......................30
Hình 2. 6Sự thay đổi của Mcr theo khoảng cách Lb.............................................................. 32
Hình 2. 7 Lưu đồ quy định độ bền danh nghĩa dầm tiết diện chữ I................................. 33
Hình 2. 8 Lưu đồ xác định moment Mn theo điều kiện ổn định tổng thể..................... 36
Hình 3. 1 Ví dụ 1................................................................................................................................ 39
Hình 3. 2 Ví dụ 2................................................................................................................................ 44


xiv

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1

Giá trị K và tỷ số l2/a

Bảng 2. 2

Giá trị K và tỷ số l2/a

Bảng 2.

2
3 Giá trị K và tỷ số l /a

Bảng 2.

4 Hệ số ψ đối với dầm

Bảng 2.

5 Hệ số ψ đối với dầm

Bảng 2.

6 Phân loại tiết diện dầ


xv

PHẦN MỞ ĐẦU
1.

Đặt vấn đề

Kết cấu thép là loại kết cấu được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực
như nhà công nghiệp, nhà dân dụng…Trong những năm gần đây ở Việt Nam cùng

với sự lớn mạnh của nền kinh tế nói chung và của ngành xây dựng nói riêng, kết cấu
thép càng phát triển rộng rãi, đa dạng, phong phú, từ đó cho thấy kiến thức về kết
cấu thép là rất cần thiết cho mọi kỹ sư và cán bộ kỹ thuật trong ngành xây dựng.
Nhiều năm qua Việt Nam đã đạt được rất nhiều kết quả tích cực trong hội
nhập kinh tế quốc tế, việc nghiên cứu và áp dụng nhiều loại tiêu chuẩn,quy phạm
thiết kế kết cấu thépnước ngồi là điều tất yếu, trong đó đáng chú ý là các quy
chuẩn, tiêu chuẩn được áp dụng như AISC (Hoa Kỳ), BS5950 (Anh), Eurocode
(Châu Âu). Việc tìm hiểu kỹ tiêu chuẩn,quy chuẩn, quy phạm của các nước ngồi,
qua đó đối chiếu với tiêu chuẩn của Việt Nam là công việc cần thiết trong thời điểm
hiện nay.
Kết cấu thép là kết cấu thanh mảnh, bề dày của chúng nhỏ so với bề rộng.
Dẫn đến kết cấu thép dễ bị mất ổn định. Mất ổn định trong kết cấu thép là nguyên
nhân phá hoại chính. Theo tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 quy định về thiết kế kết cấu
thép thì phần quy định về liên quan đến mất ổn định chiếm chủ yếu. Tuy nhiên do
nhu cầu phát triển về việc sử dụng kết cấu thép trong ngành xây dựng dân dụng,
cơng nghiệp hiện nay, việc nghiên cứu tìm hiểu về tiêu chuẩn một số nước như
AISC (Hoa Kỳ), BS5950 (Anh), Eurocode (Châu Âu) là rất cần thiết. Trong đó tiêu
chuẩn Mỹ AISC quy định rất cụ thể và chi tiết, nên đề tài mong muốn nghiên cứu và
so sánh tiêu chuẩn Việt nam và tiêu chuẩn của Mỹ để tìm ra những điểm giống nhau
và khác nhau, từ đó có thể rút ra những quy định trong tiêu chuẩn mỹ để bổ sung
cho tiêu chuẩn Việt Nam.
2. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, việc thiết kế kết cấu thép có thể được thực hiện dựa trên nhiều
tiêu chuẩn khác nhau, do q trình tồn cầu hóa nhanh chóng. Người chủ trì thiết kế
kết cấu thép có thể sử dụng kết hợp nhiều loại tiêu chuẩn để nghiên cứu thiết kế. Do
đó các kỹ sư thiết kế phải áp dụng một tiêu chuẩn cho loại vật liệu nhất định. Tiêu


xvi
chuẩn TCVN 5575:2012 và AISC 360-10 nói về việc thiết kế kết cấu thép, nội dung

của hai tiêu chuẩn này có nhiều điểm tương đồng và khác biệt trong ứng dụng.
Trong luận văn này, bằng việc nghiên cứu lý thuyết ổn định tổng thể dầm
thép chữ I và đưa bài tốn ví dụ về: “Tính tốn ổn định tổng thể dầm thép tiết diện
chữ I (đối xứng) giữa TCVN 5575:2012 và tiêu chuẩn AISC 360-10”, qua đó sẽ
tìm hiểu thêm về các cách tính tốn ổn định dầm thép chữ I, đồng thời có thể bổ
sung vào tiêu chuẩn Việt Nam những vấn đề còn thiếu hoặc đề xuất áp dụng tiêu
chuẩn AISC 360-10 trong điều kiện của Việt Nam.
3. Những nghiên cứu trước đây
Trong luận văn này, được dựa trên các nghiên cứu trong và ngoài nước
đồng thời tham khảo các bài báo, tạp chí xây dựng nói về ổn định tổng thể dầm thép
tiết diện chữ I và cách tính tốn giữa tiêu chuẩn Việt Nam với các tiêu chuẩn nước
ngoài.
3.1. Nghiên cứu trong nước
Vũ Quốc Anh [1] và cộng sự đã có nghiên cứu “Tính xoắn dầm thép chữ H
bằng biểu đồ theo quy phạm Mỹ AISC”, 2015, cho thấy theo tiêu chuẩn Việt Nam
hiện chưa có chỉ dẫn cụ thể về việc tính tốn dầm chịu xoắn, do đó việc áp dụng quy
trình tính tốn dầm chịu xoắn theo quy phạm AISC là cần thiết và có ý nghĩa thực tế
trong cơng tác thiết kế cơng trình thép.
Huỳnh Minh Sơn [2] đã có nghiên cứu “So sánh áp dụng tiêu chuẩn
AISC/ASD (Mỹ) với tiêu chuẩn TCVN 5575-91 (Việt Nam)để kiểm tra ổn định cục
bộ dầm thép bản tổ hợp” và kết luận rằng theo TCVN thì việc tính tốn ổn định cục
bộ khắc khe hơn khi chỉ cần cánh hay bụng mất ổn định cục bộ là xem như mất bền
và theo tiêu chuẩn AISC/ASD chỉ bỏ qua phần bụng oằn, phần còn lại phân phối lại
ứng suất và cho phép tăng chiều dày cánh để giảm ứng suất cắt cho bụng mà không
cần tăng bề dày bản bụng và bố trí sườn gia cường.
Lê Văn Duy [3] “ Tính tốn dầm thép tiết diện chữ I chịu xoắn theo tiêu
chuẩn AISC” đã kiến nghị ngày nay với nhiều ưu điểm cơng trình thép ngày càng
phát triển ở Việt Nam về ảnh hưởng của xoắn lên cấu kiện thép là không thể tránh
khỏi và không thể bỏ qua trong tính tốn. Do đó cần sớm đưa bài tốn phân tích

xvii
xoắn vào tiêu chuẩn hoặc chưa có điều kiện thì cần một chỉ dẫn tính tốn để thuận
lợi cho các kỹ sư thiết kế.
Trần Thoại [4] “Tính tốn ổn định của dầm thép tiết diện chữ I không đối
xứng theo tiêu chuẩn Eurocode 3” đã kiến nghị về tiết diện dầm chữ I khơng đối
xứng khó chế tạo định hình, nhưng khi được nghiên cứu tiết diện hợp lý sẽ thích
hợp làm dầm đỡ trong các cơng trình nhà cao tầng.
Báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công nghệ cấp đại học Đà Nẵng của TS.
Trần Quang Hưng[5]“Nghiên cứu ổn định tổng thể của dầm thép có tiết diện
thayđổi”. Đề tài đã nghiên cứu tính tốn ổn định tổng thể của dầm thép tiết diện chữ
I với chiều cao tiết diện thay đổi tuyến tính. Đây là hình thức cấu kiện kháphổ biến
trong kết cấu nhà thép công nghiệp và dân dụng. Việc tính tốnthực tế gặp nhiềukhó
khăn do chưa có quy định cụ thể về vấn đề này, kể cảtrong tiêu chuẩn tính tốn và
tài liệu hướng dẫn về kết cấu thép. Đề tài đã trình bày được sơ lược phương pháp
phần tử hữu hạn áp dụng trong trường hợp này, trong đó chú trọng đến dùng phần tử
tấm để mô phỏng dầm, đề tài đã xâydựng được các biểu đồ và công thức gần đúng,
xác định nhanh mômen giớihạn đàn hồi của dầm tiết diện thay đổi dựa vào dầm tiết
diện khơng đổi cóchiều cao h=hmax. Để xây dựng được dữ liệu đầy đủ hơn thì cần
thêm nhiều tính tốn khác. Kết quả của đề tài này có thể hồn thiện thêm để làm tài
liệu chỉ dẫn thiết kế kết cấu thép nhà dân dụng và cơng nghiệp.
3.2. Nghiên cứu nước ngồi
H. R. Ronagh[9] đã phát triển mơ hình gần đúng dùng phươngpháp phần tử
hữuhạn để giải bài toán ổn định của dầm tiết diện chữ I có chiềucao thay đổi, trong
đó có xét đến lực nén và ảnh hưởng của tỉ sốdiện tích cánh và bụng dầm. Tác giả
dùng phần tử thanh thuần túynên đơn giản được bài toán nhưng chưa xét đến hết các
vấn đề khácliên quan đến cấu tạo tiết diện, vị trí tải trọng.
AbdelrahmaneBekaddour Benyamina [10] đã tìm lời giải giải tíchvà
phương pháp số mơ hình một cách khá tồn diện, nghiên cứunày chỉ áp dụng cho
dầm đơn giản chịu tải phân bố.

Liliana Marques [11] đã tổng hợp các nghiên cứu và khảo sát số đểđề xuất
một số vấn đề khi thiết kế dầm chữ I có tiết diện thay đổi.


xviii
A.

Andrade [12] đã khảo sát dầm tiết diện thay đổi trong đó bụngdầm được

bố trí các điểm cố kết ngồi mặt phẳng để chống lật. Tácgiả đã mơ hình các thanh
cố kết bằng các liên kết tương đương.
4. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu về lý thuyết mất ổn định của dầm thép, tập trung nghiên cứu
mất ổn định tổng thế của dầm thép tiết diện chữ I (đối xứng).
- So sánh các quy định về ổn định tổng thể của dầm thép giữa hai tiêu chuẩn
TCVN 5575:2012 và tiêu chuẩn AISC 360-10.
- Từ các ví dụ về thiết kế mất ổn định dầm thép tiết diện chữ I (đối xứng) sẽ
rút ra các kết luận để có thể áp dụng vào thực tế tại Việt Nam.
5.Phạm vi nghiên cứu
Dotiết diện chữ I (đối xứng) thường dùng phổ biến nhất trong lĩnh vực xây
dựng dân dụng và công nghiệp. Nên trong luận văn này tập trung nghiên cứu mất ổn
định tổng thể của dầm thép tiết diện chữ I (đối xứng) sử dụng trong cơng trình nhà
cơng nghiệp như kho, xưởng...
Nghiên cứu tính tốn và so sánh mất ổn định tổng thể (Lateral – Torsional
Buckling) của dầm thép tiết diện chữ I (đối xứng) theo hai tiêu chuẩn là TCVN
5575:2012(Việt Nam) và ANSI/AISC 360-10 (Mỹ). Tiêu chuẩn AISC 360-10 (Mỹ)
có hai phương pháp tính tốn: phương pháp ứng suất cho phép (Allowable Strength
Design, ASD) vàphương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và bền(Load and
ResistanceFactor Design, LRFD). Cả hai phương phương pháp này được sử dụng
như nhau, tùy theo sự lựa chọn của người thiết kế. Tuy nhiên hiện nay phương pháp

phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và bền(Load and Resistance Factor
Design, LRFD) được sử dụng phổ biến rộng rãi. Nên đề tài chọn phương pháp thiết
kế LRFDđể tính tốn và so sánh.
6. Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình nghiên cứu đề tài tác giả đã thu thập, tìm hiểu các tài liệu đã
nghiên cứu trong và ngoài nướctrước đây.Lý thuyết về mất ổn định tổng thể
(Lateral – Torsional Buckling) của dầm tiết diện chữ I, tiêu chuẩn TCVN
5575:2012, tiêu chuẩn ANSI/AISC 360-10 “Specification for Structural Steel


xix
Buildings”và các giáo trình về lý thuyết mất ổn định cùng với các bài báo nghiên
cứu về thép, từ đó để vận dụng cho việc nghiên cứu đề tài.
7. Nội dung luận văn
Luận văn có phần mở đầu và bốn chương gồm:
Phần mở đầu: Sự cần thiết của việc nghiên cứu, tổng quan về các vấn đề
nghiên cứu trong và ngoài nước, mục tiêu, phạmvi và phương pháp nghiên cứu.
Chương 1 nghiên cứu lý thuyết tổng quan về ổn định tổng thể kết cấu nhằm
có cơ sở để nghiên cứu tiêu chuẩn của các nước.
Chương 2 nghiên cứu các quy định về tính tốn mất ổn định tổng thể của
dầm thép tiết diện chữ I (đối xứng) giữa hai tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 “Kết cấu
thép – Tiêu chuẩn thiết kế”và tiêu chuẩn AISC 360-10 “Specification for Structural
Steel Buildings”.
Các ví dụ tính tốn giữa hai tiêu chuẩn sẽ được trình bày trong Chương 3.
Từ đó để có cơ sở rút ra những kết luận và kiến nghị ở Chương 4.


1

CHƯƠNG I

LÝ THUYẾTỔN ĐỊNH KẾT CẤU THÉP
1.1Khái quát về ổn định
Ổn định là một khái niệm có liên quan đến nhiều lĩnh vực trong cuộc sống,
trong kỹ thuật nói chung, trong cơng trình và tốn học. Trong một lĩnh vực có một
định nghĩa riêng tương ứng phù hợp với đối tượng nghiên cứu.
Trong đề tài nghiên cứu ổn định tổng thể dầm thép tiết diện chữ I sử dụng
cho công trình nhà cơng nghiệp, tác giả đề cập đến định nghĩa theo quan điểm của
Euler-Lagrange để tính tốn ổn định tổng thể dầm thép tiết diện chữ I.
Theo tác giả Lều Thọ Trình[6] định nghĩa “Trong lĩnh vực cơng trình, ổn
định là tính chất của cơng trình có khả năng giữ được vị trí ban đầu hoặc giữ được
dạng cân bằng ban đầu trong trạng thái biến dạng tương ứng với các tải tác dụng”.
Tính chất ổn định tổng thể của dầm thép tiết diện chữ I thường không phải
tuyệt đối, khi tăng tải trọng tác dụng lên chúng, thì khả năng chịu lực lúc này khơng
cịn nữa, bị biến dạng thì hiện tượng này gọi là khơng ổn định.
1.2 Các dạng mất ổn định
Từ khái niệm về ổn định ta cần phân biệt hai trường hợp: Mất ổn định về vị
trí và mất ổn định về dạng cân bằng ở trang thái biến dạng.
Hiện tượng: Mất ổn định về vị tríxảy ra khi tồn bộ cơng trình được xem là
tuyệt đối cứng, khơng giữ ngun được vị trí ban đầu mà buộc phải chuyển sang vị
trí khác (hay cịn gọi là mất ổn định lật hoặc trược của tường chắn, mố cầu, trụ cầu,
tháp nước...).
Nguyên nhân: Các ngoại lực tác dụng lên cơng trình khơng thể cân bằng ở
vị trí ban đầu.Qua hiện tượng và nguyên nhân cho thấy:
− Ở vị trí cân bằng ổn định, thế năng của vật thể nghiên cứu là cực
tiểu.
− Ở vị trí cân bằng không ổn định, thế năng của vật thể nghiên cứu là
cực đại.
− Ở vị trí cân bằng phím định, thế năng của vật thể nghiên cứu là
không
đổi.

2
− Mất ổn định về dạng cân bằngởtrạng thái biến dạng xảy ra khi dạng
biến dạng ban đầu của vật thể biến dạng tương ứng với tải trọng còn
nhỏ, buộc phải chuyển sang biến dạng mới khác trước về tính chất nếu
tải trọng đạt đến một giá trị nào đó hoặc xảy ra khi biến dạng của vật
thể phát triển nhanh mà không xuất hiện biến dạng mới khác trước
về tính chất nếu tải trọng đạt đến một giá trị nào đó.
Dựa vào quan niệm của Euler về trạng thái tới hạn có thể chia thành hai loại
mất ổn định với các đặc trưng:
Mất ổn định loại một thể hiện các đặc trưng:
¾

Dạng cân bằng có khả năng phân nhánh (là dạng cân bằng

phím định có khả năng phân nhánh thành hai dạng: dạng cân bằng
ban đầu và dạng cân bằng lân cận).
¾

Phát sinh dạng cân bằng mới khác dạng cân bằng ban đầu về

tính chất.
¾

Trước trạng thái tới hạn dạng cân bằng ban đầu là duy nhất và

ổn định, sau trạng thái tới hạn dạng cân bằng ban đầu là khơng ổn
định.
¾

Qua các đặc trưng của dạng mất cân bằng loại một xảy ra

dưới dạng nén đúng tâm, uốn phẳng.
Mất ổn định loại hai thể hiện các đặc trưng:
¾
¾

Dạng cân bằng không phân nhánh.

Biến dạng và dạng cân bằng của hệ khơng thay đổi về tính chất.

Trong đề tài nghiên cứu tính tốn ổn định tổng thể dầm thép tiết diện chữ I
chỉ dựa vào dạng mất ổn định loại một để thực hiện bài toán của thanh chịu uốn
phẳng.
1.2.1 Các vấn đề liên quan đến ổn định của dầm
Ổn địnhdầm thép: Trong quá trình chịu tải trọng, sự mất ổn định của tiết
diện ngang ảnh hưởng lớn đến khả năng kháng phá moment dẻo của dầm, dẫn đến sự
hoại, sụp đổ của kết cấu. Do đó, trong quá đến sự trình thiết kế kết cấu thép cần xét
mất ổn định của dầm dưới tác dụng của tổ

hợp tải trọng bất lợi nhất.


1.2.2Mất ổn định cục bộ (Local buckling)


3
Cánh và bụng dầm tổ hợp là những bản thép mỏng chịu ứng suất nén (đối
với cánh chịu nén) hoặc chịu ứng suất pháp và ứng suất tiếp (đối với bản bụng của

dầm). Dưới tác dụng của các ứng suất đó cánh nén hoặc bản bụng dầm có thể bị
vênh đi từng phần gọi là hiện tượng mất ổn định cục bộ bản cánh hoặc bản bụng
dầm. Phần mất ổn định cục bộ của bản cánh hoặc bản bụng dầm sẽ không thể tiếp
tục tham gia chịu lực nên khả năng chịu lực của dầm giảm, dầm mất tính đối xứng,
tâm uốn thay đổi, từ đó dẫn đến mất khả năng chịu lực hồn tồn.

Hình 1. 1 Mất ổn định cục bộ của dầm tiết diện chữ I
1.2.2.1 Mất ổn định cục bộ bản cánh chịu nén
Hiện tượng: Bản cánh nén bị oằn theo phương đứng dọc, theo biên tự do.
Ngoài ra một phần bản bụng bị oằn ngang nên toàn bộ bản cánh nén cũng bị oằn
theo phương đứng.Bản cánh nén của dầm chịu ứng suất nén đều trên tiết diện vng
góc với cạnh dài của bản. Liên kết giữa cánh và bụng dầm xem là liên kết khớp.
Mất ổn định của bản cánh nén xảy ra khi biên tự do của bản vênh ra ngoài mặt
phẳng bản tạo thành sóng.
Nguyên nhân: Do bản cánh và bản bụng dầm tổ hợp là những bản mỏng có
bề dầy nhỏ hơn nhiều so với bề rộng hay chiều cao của chúng (t f<< bf và tw<<
hw).Một cạnh dài tựa lên bản bụng dầm, được coi là liên kết khớp với bản bụng dầm
(tw< tf và hw lớn), cạnh dài đối diện là tự do.
Các biện pháp tăng cường ổn định cho bản cánh chịu nén của dầm như: tăng
cường độdày của thép hoặc thay đổi kích thước (thường được sử dụng), trong đó
giảm bề rộng bản cánh, nếu giảm bề dày bản cánh thì tăng độ ổn định cục bộ bản