Luận văn thạc sĩ tính toán cột thép nhà nhiều tầng chịu nén lệch tâm theo TCVN 5575 2012 và BS EN 1993 2005

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

TRẦN THÁI BÌNH

TÍNH TOÁN CỘT THÉP NHÀ NHIỀU TẦNG
CHỊU NÉN LỆCH TÂM THEO TCVN 5575:2012
VÀ BS EN 1993:2005

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Đà Nẵng – năm 2021


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

TRẦN THÁI BÌNH

TÍNH TOÁN CỘT THÉP NHÀ NHIỀU TẦNG
CHỊU NÉN LỆCH TÂM THEO T VN 5575:2012
VÀ BS EN 1993:2005

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng
Mã số : 8.58.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN QUANG HƯNG

Đà Nẵng – năm 2021


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.
Tác giả luận văn

Trần Thái Bình


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………….1
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP.................................................3
1.1. Nguyên tắc chung dùng trong thiết kế................................................................3
1.1.1. Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo TCVN 5575:2012.......................................3
1.1.2. Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo BS EN 1993:2005.......................................4
1.2. Tải trọng sử dụng trong thiết kế theo tiêu chuẩn...............................................5
1.2.1. Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam........................................................5
1.2.2. Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn Eurocodes.......................................................6
1.3. Vật liệu thép sử dụng theo tiêu chuẩn thiết kế.................................................. 10
1.3.1. Vật liệu thép theo TCVN 5575:2012................................................................. 10
1.3.2. Vật liệu thép theo tiêu chuẩn Châu Âu............................................................... 12
1.4. Nhận xét chung................................................................................................... 14
1.4.1. Nhận xét chung về phương pháp thiết kế........................................................... 14
1.4.2. Nhận xét chung về tải trọng thiết kế.................................................................. 15
1.4.3. Nhận xét chung về sử dụng vật liệu trong các tiêu chuẩn.................................. 16
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CỘT CHỊU NÉN LỆCH TÂM TRONG NHÀ NHIỀU

TẦNG THEO CÁC TIÊU CHUẨN.......................................................................... 17
2.1. Tính tốn cột chịu nén lệch tâm theo TCVN 5575:2012..................................18
2.1.1. Những quan niệm tính tốn cơ bản.................................................................... 18
2.1.2. Độ mảnh và chiều dài tính tốn.......................................................................... 18
2.1.3. Tính tốn về ổn định của cột thép đặc chịu nén đúng tâm.................................. 20
2.1.4. Tính tốn cột chịu nén lệch tâm......................................................................... 21
2.1.5. Tính tốn về ổn định tổng thể cột tiết diện đặc.................................................. 24
2.1.6. Sơ đồ khối kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lệch tâm..............................29
2.2. Tính tốn cấu kiện chịu nén theo tiêu chuẩn BS-EN 1993-1-1:2005...............32
2.2.1. Phân lớp tiết diện............................................................................................... 32
2.2.2. Tính tốn độ bền................................................................................................ 35
2.2.3. Tính toán ổn định của cấu kiện theo BS EN 1993-1-1:2005..............................38


2.2.4. Sơ đồ khối kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lệch tâm ...............................
2.3. Nhận xét chung .....................................................................................................
2.3.1. So sánh quan niệm về cách xác định hệ số chiều dài tính tốn của cột trong
khung thép nhà nhiều tầng theo TCVN 5575:2012 và BS EN 1993:2005 ...................
2.3.2. So sánh cách tính cột thép tiết diện đặc theo TCVN 5575:2012 và BS EN
1993:2005 ......................................................................................................................
CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TỐN CỘT CHỊU NÉN LỆCH TÂM .......................
3.1. Tính tốn cột chịu nén lệch tâm một phương ....................................................
3.1.1. Tính tốn theo tiêu chuẩn TCVN 5575:2012. .....................................................
3.1.2. Tính tốn theo tiêu chuẩn BS EN 1993:2005 ......................................................
3.1.3. Ví dụ khác kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lệch tâm 1 phương...............
3.2. Tính tốn cột chịu nén lệch tâm hai phương .....................................................
3.2.1. Tính tốn theo TCVN 5575:2012. .......................................................................
3.2.2. Tính tốn theo BS EN 1993:2005................................................................
3.2.3. Ví dụ khác kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lệch tâm 2 phương...............
3.3. Kết quả kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lệch tâm theo TCVN

5575:2012 và BS EN 1993:2005 ..................................................................................
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………..87


TÍNH TỐN CỘT THÉP NHÀ NHIỀU TẦNG CHỊU NÉN LỆCH TÂM
THEO TCVN 5575:2012 VÀ BS EN 1993:2005
Học viên: Trần Thái Bình

Mã số: 8.58.02.01
Tóm tắt: Tiêu chuẩn BS EN 1993:2005 là tiêu chuẩn về thiết kế kết cấu thép cho
cơng trình, được áp dụng ở các nước Liên minh Châu Âu và đang được nhiều nước
trên thế giới đưa vào sửa dụng. Trong giai đoạn hội nhập và phát triển hiện nay,
việc tiếp thu và áp dụng những tiến bộ của khoa học kỹ thuật từ các nước tiên tiến
trên thế giới là nhiệm vụ quan trọng đối với ngành xây dựng ở nước ta. Do đó, luận
văn: “Tính tốn cột thép nhà nhiều tầng chịu nén lệch tâm theo TCVN 5575:2012
và BS EN 1995:2005”, tập trung nghiên cứu sự khác nhau về quan niệm chiều dài
tính tốn của cột thép trong khung và quan niệm kiểm tra ổn định tổng thể của cột
thép nhà nhiều tầng chịu nén lệch tâm theo hai tiêu chuẩn: T VN 5575:2012 và BS
EN 1993:2005. Luận văn thể hiện những ví dụ tính tốn cụ thể và tóm tắt những kết
quả đạt được.Từ đó, có cơ sở để đề xuất cách tính tốn linh hoạt và phù hợp trong
thực tế về khả năng chịu nén lệch tâm của cột thép nhà nhiều tầng.

Từ khóa: BS EN 1993:2005, CVN 5575:2012, chiều dài tính tốn, ổn định
tổng thể, nén lệch tâm.
DESIGN OF STEEL BEAM-COLUMN IN MULTI-STOREY
BUILDINGS TO TCVN 5575:2012 AND BS EN 1993:2005
Abstract: BS EN 1993:2005 is the design standard for steel structures, applied in
the European Union In the current stage of integration and development, the
acquisition and application of scientific and technical advances from advanced

countries in the world is an important task for the construction industry in our
country. Therefore, the study “Design of steel beam-column in multi-storey
buildings to TCVN 5575:2012 and BS EN 1993:2005”, focuses on the differences
in the concept of buckling length of steel columns in the frame and overall stability
testing concept of steel column in eccentric multi-storey building under two
standards: TCVN 5575:2012 and BS EN 1993:2005. The thesis shows specific
examples of calculation and summary of the result achieved. From there, there is a
basis to override a flexible and practical calculation of the eccentric compression
capacity of multi-storey steel columns.
Key words: BS EN 1993:2005, TCVN 5575:2012, buckling length, flexural and
lateral-torsional buckling, beam-column


a) Các đặc trưng hình học.
A
An
Af
Aw
Aeff
b
bf
bo
h
hw
be
h0
tf
tw
D
d

ix, iy
imin
rib
rx, ry
I
If
It
Ip
Ix, Iy
x-x, y-y
Inx, Iny
x, y-y
L
lo
tương ứng x-x, y-y

S

chiều cao của thanh đứng, cột hoặc chiều dài nhịp dầm
chiều dài tính tốn của cấu kiên chịu nén
chiều dài tính tốn của cấu kiện trong các mặt phẳng vng góc với các trục

mơmen tĩnh của tiết diện ngang


Wnmin môđun chống uốn (mômen kháng) nhỏ nhất của tiết diện thực đối với
trục tính tốn
Wx , Wy mơđun chống uốn (mômen kháng) của tiết diện nguyên đối với
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 (mômen kháng) của tiết diện trong giai đoạn dẻo
Wel
môđun chống uốn (mômen kháng) của tiết diện trong giai đoạn đàn
hồi
Wel,min môđun chống uốn (mômen kháng) nhỏ nhất của tiết diện trong giai
đoạn đàn hồi
Weff,min môđun chống uốn (mômen kháng) nhỏ nhất của tiết diện hữu hiệu
b) Ngoại lực và nội lực
Mx , My mômen uốn đối với các trục tương ứng x-x, y-y
Mt
Mb,Rd

mômen xoắn cục bộ

Npl,Rd
NRd
Nc,Rd
NRk
Ncr,y
Ncr,z
My,Ed
Mz,Ed
My,Rd
Mz,Rd

khả năng chịu nén khi thiết kế dẻo của tiết diện
khả năng chịu nén của tiết diện

MEd

mômen tăng thêm do việc di chuyển tâm của diện tích hiệu dụng Aeff

mơmen khi tính oằn xoắn bên
N
tải trọng thiết kế dọc trục
NEdgiá trị thiết kế của lực dọc

khả năng chịu nén của tiết diện khi nén thuần tuý
giá trị đặc trưng cho khả năng chịu nén
lực tới hạn đàn hồi trục y-y
lực tới hạn đàn hồi trục z-z
mômen uốn thiết kế trục y-y
mômen uốn thiết kế trục z-z
khả năng chịu mô men uốn thiết kế trục y-y
khả năng chịu mô men uốn thiết kế trục z-z

so với tâm của tiết diện ban đầu
Mc,Rd khả năng chịu uốn của tiết diện đối với 1 trục chính
My,Rk giá trị đặc trưng khả năng chịu uốn phương trục y-y
Mz,Rk giá trị đặc trưng khả năng chịu uốn phương trục z-z
Mcr
mômen tới hạn đàn hồi đối với oằn bên kèm xoắn
VEd
lực cắt thiết kế
V
khả năng chịu cắt
c,Rd

Vpl,Rd

khả năng chịu cắt khi tính tốn dẻo

V
lực cắt
Cường độ và ứng suất
E
môđun đàn hồi của thép

c)

fy cường độ tiêu chuẩn lấy theo giới hạn chảy của thép fu
cường độ tiêu chuẩn của thép theo sức bền kéo đứt
f cường độ tính tốn của thép chịu kéo, nén, uốn lấy theo giới hạn
chảy
Gmôđun trượt
ứng suất pháp
ứng suất tiếp
d)

Ký hiệu các thông số
c1, cx, cy các hệ số dùng để kiểm tra bền của dầm chịu uốn trong một mặt

phẳng chính hoặc trong hai mặt phẳng chính khi có kể đến sự phát triển của biến dạng
dẻo
eđộ lệch tâm của lực
mđộ lệch tâm tương đối
độ lệch tâm tương đối tính đổi

me
k,

hệ số chiều dài tính tốn của cột

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 của tiết diện

độ mảnh của cấu kiện ( = lo /i )
_


_

w

x ,y
các trục tương ứng x-x, y-y

L0
LT
0


hệ số uốn dọc

b

hệ số giảm cường độ tính toán khi mất ổn định dạng uốn xoắn

e

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



M0

hệ số để xác định hệ sốb khi tính tốn ổn định của dầm (Phụ lục E)
hệ số xét đến hình dạng tiết (tiêu chuẩn EN)

M1

hệ số xét đến tính không ổn định của cấu kiện khi kiểm tra



hệ số chiết giảm đối với đường cong oằn tương ứng

y

hệ số chiết giảm đối với đường c

z

hệ số chiết giảm đối với đường c

LT

hệ số chiết giảm khi oằn bên kèm

_

 LT

độ mảnh qui đổi khi oằn bên kèm




hệ số kể đến sai lệch ban đầu

LT

LT ,0

đoạn thẳng của đường cong oằn
hệ số điều chỉnh đối với đường cong oằn bên kèm xoắn cho
tiết diện



cán

LT,mod
nóng
kij
hệ số chiết giảm quy đổi khi oằn
bên các hệ số tương tác

hệ số phụ thuộc vào fy
C1
hệ số điều chỉnh theo biểu đồ mômen phân bố
Cm
hệ số điều chỉnh khi biểu đồ mômen phân bố tuyến tính
Cn
hệ số điều chỉnh khi biểu đồ mơmen phân bố phi tuyến
Iw
hằng số cong vênh
eN,y
chuyển dịch trọng tâm của diện tích hữu hiệu Aeff đối với trọng tâm
của tiết diện nguyên trục (y-y)
eN,z chuyển dịch trọng tâm của diện tích hữu hiệu Aeff đối với trọng tâm của
tiết diện nguyên trục (z-z)
Ф
đại lượng để xác định hệ số chiết giảm
ФLT
đại lượng để xác định hệ số chiết giảmLT
e) Các chữ viết tắt
TC

tiêu chuẩn
TCVN tiêu chuẩn Việt Nam
GHSD giới hạn sử dụng
KNCL khả năng chịu lực
ĐKLV điều kiện làm việc


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Phân hạng tải trọng sử dụng……………... ..................................................... …7

Bảng 1.2. Tải trọng áp đặt trên sàn, ban công, cầu thang .....................................................
Bảng 1.3. Tổ hợp tải trọng ....................................................................................................
Bảng 1.4. Cường độ tính tốn của thép cán nóng và thép ống ...........................................
Bảng 1.5. Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính tốn của thép các bon ..................
Bảng 1.6. Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính tốn của thép hợp kim thấp
2

(TCVN 5709 : 1993) . Đơn vị tính : N/mm ......................................................................
Bảng 1.7. Giá trị danh nghĩa của giới hạn bền fu và giới hạn chảy fy của thép kết cấu
cán nóng ..............................................................................................................................
Bảng 1.8. Giá trị danh nghĩa của giới hạn bền fu và giới hạn chảy fy của thép tiết diện
rỗng .....................................................................................................................................
Bảng 1.9. Bảng danh sách tên thép theo các tiêu chuẩn .....................................................
Bảng 2.1. Độ mảnh giới hạn của các thanh chịu nén ..........................................................
Bảng 2.2. Các hệ số: nc, cx, cy ................
Bảng 2.3. Giá trị M .............................................................................................................
Bảng 2.4. Hệ số và ......................................................................................................
Bảng 2.5. Hệ số khơng hồn chỉnh đối với các dạng đường cong oằn ..............................
Bảng 2.6. Chọn đường cong oằn cho tiết diện ...................................................................
Bảng 2.7. Hệ số khơng hồn chỉnh đối với các dạng đường cong oằn bên kèm xoắn .......

Bảng 2.8. Giới thiệu về các loại đường cong oằn ..............................................................
Bảng 2.9. Giá trị NRk= fy Ai , Mi,Rk = fyWi vàWi,Ed..........................................................
Bảng 2.10. Hệ số tương tác kịj cho cấu kiện không chịu biến dạng xoắn ..........................
Bảng 2.11. Hệ số tương tác kij cho cấu kiện chịu biến dạng xoắn .....................................
Bảng 2.12 .So sánh cách xác định hệ số chiều dài tính toán của cột trong khung thép
nhà nhiều tầng theo TCVN 5575:2012 và BS EN 1993:2005. ..........................................
Bảng 2.13 .So sánh cách tính cột thép tiết diện đặc theo TCVN 5575:2012 và BS EN
1993:2005 ...........................................................................................................................
Bảng 3.1. Số liệu tải trọng ..................................................................................................
Bảng 3.2. Tải trọng gió tác dụng vào dầm biên .................................................................
Bảng 3.3. Khai báo các trường hợp tải trọng
Bảng 3.4. Nội lực tính tốn các ví dụ .................................................................................
Bảng 3.5. Thơng số tiết diện cột .........................................................................................
Bảng 3.6. Kết quả tính tốn cột chịu nén lệch tâm một phương ........................................


Bảng 3.7. Nội lực tính tốn cột chiụ nén lệch tâm hai phương ..........................................
Bảng 3.8. Bảng thông số tiết diện cột .................................................................................
Bảng 3.9. Kết quả tính tốn cột chịu nén lệch tâm hai phương .........................................
Bảng 3.10 .Kết quả xác định chiều dài tính tốn của cột thép trong khung .......................
Bảng 3.11.Kết quả kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lêch tâm 1 phương .................
Bảng 3.12 .Kết quả kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lêch tâm 2 phương ................

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Các dạng tiết diện cột ........................................................................................
Hình 2.2. Định hướng tiết diện cột nằm trên mặt bằng .....................................................
Hình 2.3. Hệ số µ của cột có tiết diện khơng đổi ..............................................................
Hình 2.4. Tiết diện cột đặc chịu nén lệch tâm trong mặt phẳng bản bụng ........................
Hình 2.5. Tiết diện cột đặc chịu nén lệch tâm trong mặt phẳng vng góc bản bụng ......
Hình 2.6. Tiết diện cột đặc chịu nén lệch tâm theo cả hai mặt phẳng chính .....................

Hình 2.7. Tỷ số lớn nhất giữa bề rộng và bề dày của phần chịu nén ................................
Hình 2.8. Tỷ số lớn nhất giữa bề rộng và bề dày của phần chịu nén ................................
Hình 2.9. Bản bụng tính tốn loại 2...................................................................................
Hình 2.10. Độ mảnh khơng thứ ngun ............................................................................
Hình 2.11. Giá trị của hệ số C1 C2 và C3 ...........................................................................
Hình 2.12. Hệ số điều chỉnh kc ..........................................................................................
Hình 3.1. Mặt bằng cơng trình ...........................................................................................
Hình 3.2. Mặt cắt cơng trình ..............................................................................................
Hình 3.3. Mơ hình cơng trình ............................................................................................
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 2.1. Sơ đồ khối kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lệch tâm 1 phương theo
TCVN 5575:2012 ...............................................................................................................
Sơ đồ 2.2 .Sơ đồ khối kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén lệch tâm 2 phương theo
TCVN 5575:2012 ...............................................................................................................
Sơ đồ 2.3 .Sơ đồ khối kiểm tra ổn định tổng thể cột chịu nén uốn theo BS EN
1993:2005 ...........................................................................................................................


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay ở Việt Nam, cùng với sự lớn mạnh của nền kinh tế nói chung và nghành
xây dựng nói riêng, kết cấu thép ngày càng phát truyển rộng rãi, đa dạng và phong phú
hơn. Việc áp dụng những khoa học kỹ thuật tiên tiến, hồn thiện các phương pháp tính
tốn, hợp lý tiết diện cấu kiện kết cấu là bước đầu tiến đến đạt được hiệu quả kinh tế,
kỹ thuật trong xây dựng cơng trình.
Đồng thời với sự mở cửa của nền kinh tế, nước ta có nhiều cơng trình vốn đâu tư
nước ngoài, được thiết kế và xây dựng theo tiêu chuẩn, quy phạm nước ngồi. Trong
đó, đáng chú ý là tiêu chuẩn Nga, Mỹ và các nước Châu Âu. Nên việc tìm hiểu kỹ các

tiêu chuẩn, quy phạm các nước này, thơng qua đó đối chiếu so với tiêu chuẩn Việt Nam
là hết sức cần thiết.
Trong kết cấu thép, cột thép nhận tải trọng từ sàn, dầm... truyền xuống móng, nên
cột thép là cấu kiện chịu lực chính trong khung. Cột thép trong khung chủ yếu chịu
nén lệch tâm theo hai phương, mỗi phương có moment khác nhau và chiều dài tính
tốn cũng khác nhau. Đây là vấn đề phức tạp, có nhiều cách tính tốn khác nhau quy
định trong các quy phạm và tiêu chuẩn thiết kế.
Đặc điểm chịu lực, ứng xử của cột thép trong khung rất phức tạp và chịu ảnh hưởng
bởi cơng năng của cơng trình, kiến trúc, vật liệu xây dựng…
Vấn đề đặt ra là trong kết cấu thép, các tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575:2012 tiêu
chuẩn Châu Âu BS EN 1993:2005 có những quy định rất khác nhau về tải trọng, tổ
hợp tải trọng, vật liệu và các điều kiện sử dụng về sự khác nhau về quy định về chiều
dài tính tốn và ngun tắc tính tốn, kiểm tra ổn định tổng thể khi có sự tương tác
nhiều lực. Vì vậy cần có sự tìm hiểu, nghiên cứu, phân tích một cách tồn diện sự
tương quan, giống nhau và khác nhau của các tiêu chuẩn nhằm áp dụng một cách linh
hoạt và phù hợp trong sử dụng thực tế.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu đánh giá:
- Sự khác nhau về quan niệm chiều dài tính tốn của cột thép, theo TCVN 5575:2012
và BS EN 1993:2005.
- Sự khác nhau về quan niệm kiểm tra ổn định tổng thể của cột thép, theo TCVN
5575:2012 và BS EN 1993:2005.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng


2

Tính tốn cột thép nhà nhiều tầng chịu nén lệch tâm.
3.2. Phạm vi nghiên cứu

Sử dụng TCVN 5575:2012 và BS EN 1993:2005 để nghiên cứu, tính tốn và đánh giá
cột thép nhà nhiều tầng khi chịu nén lệch tâm.
4.Phương pháp nghiên cứu
Bằng phương pháp tìm hiểu lý thuyết tính tốn và thực hành tính tốn với các ví dụ
cụ thể, từ các số liệu đó phân tích đánh giá và so sánh để nhận định về sự cần thiết áp
dụng trong những trường hợp nào thì hợp lý và áp dụng như thế nào để đảm bảo chịu
lực, mỹ quan cơng trình, đạt hiệu quả kinh tế và thi cơng thuận lợi.
5. Bố cục của luận văn
Ngoài phần Mở đầu và phần Kết luận, kiến nghị, luận văn gồm 3 chương sau:
Chương 1: Cơ sở thiết kết cấu thép
Chương 2: Thiết kế cột chịu nén lệch tâm trong nhà nhiều tầng theo các
tiêu chuẩn
Chương 3: Ví dụ tính tốn cột chịu nén lệch tâm


3

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP
1.1. Nguyên tắc chung dùng trong thiết kế
1.1.1. Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo TCVN 5575:2012
1.1.1.1. Trạng thái giới hạn theo TCVN 5575:2012
TCVN 5575:2012 sử dụng phương pháp tính tốn theo trạng thái giới hạn. Trạng
thái giới hạn là trạng thái khi mà vượt q thì kết cấu khơng cịn thỏa mãn các yêu cầu
sử dụng hoặc lắp dựng. Các trạng thái giới hạn gồm:
Trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực (KNCL) là trạng thái mà kết cấu khơng
cịn đủ khả năng chịu lực, sẽ bị sụp đổ hoặc hư hỏng, làm nguy hại đến sự an toàn của
con người, của thiết bị. Đó là các trường hợp: Kết cấu không đủ độ bền (phá hoại bền),
hoặc kết cấu bị mất ổn định, hoặc kết cấu bị phá hoại dòn, hoặc vật liệu kết cấu bị chảy
dẻo.
Trạng thái giới hạn về sử dụng (GHSD) là trạng thái mà kết cấu khơng cịn sử dụng

bình thường được nữa do bị biến dạng quá lớn hoặc do hư hỏng cục bộ. Các trạng thái
giới hạn này gồm: trạng thái giới hạn về độ võng và biến dạng làm ảnh hưởng đến sử
dụng bình thường của thiết bị máy móc, của con người hoặc làm hỏng sự hoàn thiện
của kết cấu, sự rung động quá mức, sự han gỉ quá mức.
1.1.1.2. Hệ số tin cậy theo TCVN 5575:2012
Khi tính tốn kết cấu sử dụng các hệ số tin cậy như sau:
-

Hệ số độ tin cậy về cường độ vật liệuM (xem mục 6.1.4 và 6.2.2 TCVN

5575:2012)
-

Hệ số độ tin cậy về tải trọngQ. Khi tính tốn theo giới hạn về KNCL, sử

dụng tải trọng tính tốn là tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ sốQ (gọi là hệ
số vượt tải hoặc hệ số tin cậy tải trọng). Khi tính tốn theo trạng thái giới hạn về
sử dụng và tính tốn về mỏi thì dùng tải trọng tiêu chuẩn. Q (xem mục 5.2.2
TCVN 5575:2012).
Hệ số điều kiện làm việc của kết cấu (ĐKLV) C. Khi kiểm tra KNCL của
các kết cấu thuộc những trường hợp nêu trong bảng 3 TCVN 5575:2012,
cường độ tính tốn của thép và của liên kết phải được nhân với hệ số ĐKLV để
kể đến sự làm việc bất lợi của kết cấu so với bình thường. C (xem mục 5.4.1 và
5.4.2 TCVN 5575:2012).


4

1.1.2. Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo BS EN 1993:2005
1.1.2.1. Thiết kế theo trạng thái giới hạn

BS EN 1993:2005 quy định tính tốn kết cấu thép theo trạng thái giới hạn. Kết cấu
được thiết kế sao cho không vượt quá trạng thái giới hạn của nó.
Hai yêu cầu cơ bản của kết cấu là: kết cấu phải bền vững (tồn tại được) dưới mọi tác
dụng của tải trọng và kết cấu phải sử dụng được (thỏa mãn mọi yêu cầu về mặt sử
dụng). Tương ứng với hai yêu cầu này sẽ có hai trạng thái giới hạn:
Trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực (Ultimate Limit State - ULS) là
giới hạn mà vượt qua trạng thái này thì kết cấu khơng cịn khả năng chịu lực nữa
(cong vênh, sụp đổ hay ở trạng thái nguy hiểm theo quan điểm người thiết kế).
Đó là các trường hợp kết cấu không đủ bền hoặc mất ổn định, bị phá hủy đột
ngột do mỏi.
Trạng thái giới hạn về sử dụng (Serviceability Limit State - SLS) là giới
hạn mà vượt qua trạng thái này thì kết cấu có thể vẫn bền vững nhưng không thể
sử dụng được do không thỏa mãn các yêu cầu đặt ra. Đó là các trường hợp kết
cấu bị chuyển vị hay biến dạng quá mức, rung động vượt mức cho phép, không
đủ khả năng cách âm…
1.1.2.2. Hệ số tin cậy theo BS EN 1993:2005
Theo Eurocode 3 khi tính tốn kết cấu thép sử dụng hệ số tin cậy sau:
-

f ,Sd : Hệ số an toàn về tải trọng

-

f : Xét sự sai khác có thể có của tải trọng thực tế so với giá trị quy định

Sd : Xét đến sự sai khác của kết cấu thực tế so với mơ hình dùng trong tính
tốn
F =f.Sd
m ,Rd : Hệ số an toàn vật liệu. Xét đến sự biến động của tính chất vật liệu
và sức chịu của kết cấu khi vật liệu của kết cấu thực sai khác với vật liệu của mơ

hình tính tốn.
γM: hệ số riêng cho tham số vật liệu được giới thiệu trong mục (6.1) Eurocode 3
khuyên lấy như sau:
M =m.Rd
γM=γM0=1: khi tính bền trong mọi trường hợp (trừ trường hợp tính bền kéo
đứt tiết diện có giảm yếu).
-

γM=γM1=1: khi tính ổn định.


5

-

γM=γM2=1,25: khi tính bền kéo đứt tiết diện bị giảm yếu.

Các hệ số độ tin cậy của vật liệu và tải trọng được lấy theo quy định của tiêu chuẩn
từ EN 1992 đến EN 1999.
1.2. Tải trọng sử dụng trong thiết kế theo tiêu chuẩn
1.2.1. Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam
Tải trọng dùng trọng thiết kế được lấy theo TCVN 2737:1995 hoặc tiêu chuẩn thay
thế tiêu chuẩn trên (nếu có).
Khi tính kết cấu theo các tới hạn về khả năng chịu lực thì dùng tải trọng tính toán là
tải trọng tiêu chuẩn nhân với hệ số độ tin cậy về tải trọng γ Q. Khi tính kết cấu theo
trạng thái tới hạn về sử dụng và tính tốn về mỏi thì dùng trị số của tải trọng tiêu
chuẩn. Các trường hợp tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời (dài hạn, ngắn hạn
và đặt biệt ) tuỳ theo thời gian tác dụng của chúng.
Tải trọng và tác động thường xuyên bao gồm : Trọng lượng bản thân của kết cấu
chịu lực, trọng lượng của một bộ phận nhà hoặc cơng trình được đỡ bằng các kết cấu

chịu lực, trọng lượng và áp lực của đất, tác dụng của ứng suất trước, ứng lực tạo ra do
việc khai thác mỏ.
Tải trọng tạm thời dài hạn gồm có: trọng lượng vách ngăn tạm thời, trọng lượng
phần đất và bê tông đệm dưới thiết bị, trọng lượng của máy móc và thiết bị cố định,
trọng lượng của chất lỏng và các vật liệu rời trong các thùng chứa, tải trọng lên sàn của
các nhà kho, trọng lượng của sách trong thư viện, tác dụng dài hạn do nhiệt độ của các
thiết bị, trọng lượng của các lớp bụi sản xuất bám vào kết cấu, trọng lượng của nước
trên mái có cách nhiệt bằng nước, ứng lực trước trong các kết cấu ứng suất trước.
Tải trọng tạm thời ngắn hạn gồm có : trọng lượng người, vật liệu sửa chữa, phụ
kiện, dụng cụ và đồ gá lắp trong phạm vi phục vụ và sửa chữa thiết bị; tác dụng của
cầu trục; tác dụng của gió, trọng lượng của người, đồ đạc…
Tải trọng đặc biệt gồm có: tác động của động đất, của vụ nổ lên cơng trình, tải trọng
do vi phạm q trình cơng nghệ, do thiết bị trục trặc, hư hỏng tạm thời, tác động của
biến dạng nền gây ra do thay đổi cấu trúc đất nền, tác động do biến dạng của mặt đất ở
vùng có nứt đất, do ảnh hưởng của việc khai thác mỏ và do hiện tượng caxtơ.
Các hệ số vượt tải là nhằm kể đến sự xê dịch sai khác của trị số tải trọng hoặc kể
đến sự vượt quá điều kiện sử dụng bình thường của kết cấu.
Tác dụng đồng thời của một số tải trọng đạt giá trị cực đại thường ít xảy ra. Vì vậy
ở các tổ hợp tải trọng cần phân biệt tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt để nhân các hệ số
này tương ứng với xác suất xảy ra của chúng.


6

Tổ hợp cơ bản bao gồm tất cả các tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời dài hạn
và tải trọng tạm thời ngắn hạn gây bất lợi cho kết cấu hoặc bộ phận kết cấu. Các tổ hợp
tải trọng tính tốn được biểu diễn bằng cơng thức sau:
CBI : ngG + npiPi
CBII : ngG + 0,9 npiPi
Trong đó :

-

G : Tĩnh tải (hoặc tải trọng thường xuyên)

-

ng : Hệ số vượt tải của tĩnh tải G

-

Pi : Hoạt tải thứ i

-

npi : Hệ số vượt tải tương ứng với hoạt tải Pi

Tổ hợp tải trọng đặc biệt có một tải trọng tạm thời thì giá trị của tải trọng tạm thời
được lấy toàn bộ. Khi tổ hợp tải trọng đặc biệt có hai tải trọng tạm thời trở lên, giá trị
tải trọng đặc biệt được lấy không giảm, giá trị tính tốn của các tải trọng tạm thời
(hoặc nội lực tương ứng của chúng) được nhân với hệ số tổ hợp1= 0,95 với tải trọng
tạm thời dài hạn và2 = 0,8 với tải trọng tạm thời ngắn hạn (trừ những trường hợp
ngoại lệ đã được nêu trong tiêu chuẩn động đất).
1.2.2. Tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn Eurocodes
1.2.2.1. Tải trọng thường xuyên và tải trọng áp đặt.
Về tải trọng sử dụng (tải trọng áp đặt) được EN 1991-1-1: 2002 chia theo đặc điểm
của công năng sử dụng như là:
-

Diện tích nhà ở riêng, cơng cộng, thương mại, kinh doanh, nhà hành chính.

-

Diện tích làm kho và các hoạt động cơng nghiệp.

-

Diện tích sử dụng giao thơng và xe cộ đi lại (ngoại trừ cầu).

-

Diện tích làm mái.

Trong mỗi công năng sử dụng lại chia thành các loại A, B, C, D ứng với mỗi loại
này có giá trị tải trọng tập trung và phân bố khác nhau. Ví dụ diện tích trong các cơng
trình nhà ở, cơng cộng, thương mại, nhà quản lý điều hành được phân chia theo loại tra
trong Bảng 1.1 và giá trị tải trọng phân bố, tải trọng tập trung tra theo Bảng 1.2.


7

Bảng 1.1. Phân hạng tải trọng sử dụng
(trích bảng 6.1 EN 1991-1-1: 2002)
Loại

A

B

Diện tích sử dụng
cho gia đình và

sinh hoạt gia đình
Diện tích văn
phịng, cơng sở

C

Diện tích xảy ra tụ
tập, hội họp (ngoại
trừ diện tích được
định nghĩa ở loại
A, B và D)

D

Diện tích bn bán

Bảng 1.2. Tải trọ

(trích bảng 6.2 EN 199

- Trên cầu thang
- Trên ban công



8

1.2.2.2. Hệ số vượt tải và tổ hợp tải trọng
Theo tiêu chuẩn Eurocode 3 phân tải trọng tác động F làm các loại:
Tải trọng thường xuyên (G). Ví dụ: trọng lượng bản thân kết cấu, tải trọng sử dụng…

Tải trọng thay đổi theo thời gian (Q). Ví dụ: Tải trọng gió, tải trọng tuyết …
Tải trọng bất thường, ví dụ: Tải trọng động đất, tải trọng do vụ nổ…
Với mỗi loại tải trọng đều có hệ số an tồn tải trọng:

FdF .FK

(1.5)

Trong đó :
-

Fd : Tải trọng tính tốn

-

F : Hệ số an toàn về tải trọng

-

FK : Tải trọng tiêu chuẩn

Với tải trọng biến đổi theo thời gian, khi đưa vào tính tốn cần nhân thêm với hệ số
tổ hợpi :iQk
(1.6)

Qd=Q.QK hoặc Qd=Q.i.QK
Bảng 1.3. Tổ hợp tải trọng
Trạng thái
thiết kế

Lâu dài và tạm thời

Trong đó :
-

i : Hệ số tổ hợp


9

Tổ hợp tải trọng tính tốn có thể biểu diễn theo cơng thức sau:





G
G ,i

K ,i

i



Q
Q,i

K ,1



Q,i



Q
Q,i

K ,i

(1.7)

i1

Trong đó:
-

GQ,i : Giá trị tiêu chuẩn của tải trọng thường xuyên.

-

QK,1 : Giá trị tiêu chuẩn của một loại tải trọng thay đổi.

-

QK,i : Giá trị tiêu chuẩn của các tải trọng thay đổi khác .

-

Ad : Giá trị tính tốn của tải trọng bất thường.

-

G,i : Hệ số an toàn của tải trọng thường xuyên GK,i

-

Q,i : Hệ số an toàn của tải trọng thay đổi QK,i

-

i : Hệ số tổ hợp,i = 0,5 1

Trường hợp thiết kế với tải trọng bất thường dùng công thức sau:



G
GA,i

A,i

 A 
d

Q
1,i

K ,i



Q
2,i

K ,i

(1.8)

Trong thiết kế thường lấyG = 1,0 1,35;Q = 1,5
Đối với các cơng trình nhà cửa, cơng thức trên có thể biểu diễn đơn giản hơn
như sau:
Khi chỉ quan tâm đến duy nhất một loại tải trọng thay đổi bất lợi:

Khi quan tâm đến tất cả các loại tải trọng thay đổi bất lợi:





G

G ,i

K ,i

i

 0,9

Q,i

Q

K ,i

Các tổ hợp trên dùng khi tính tốn theo trạng thái giới hạn thứ nhất (trạng thái giới
hạn về khả năng chịu lực).
Khi thiết kế theo trạng thái giới hạn thứ 2 (trạng thái về giới hạn sử dụng), sử
dụng các tổ hợp tải trọng sau:
- Tổ hợp đặc biệt (ít gặp):



G

j1

-

 Q

k,j

Tổ hợp thường xuyên:

k,j



G



k,j

Q
1,1

k,j

j1

-

(1.12)

Tổ hợp lâu dài:



G
k,j

j1



Q

2,i

k ,i

(1.13)

i1

Đối với các kết cấu nhà, cơng thức trên có thể biểu diễn đơn giản như sau:

-

Khi chỉ quan tâm đến duy nhất một tải trọng thay đổi bất lợi.

G



k,j

j

-

 Q

k ,i

(1.14)

Khi quan tâm đến tất cả các tải trọng thay đổi bất lợi.


j

G
k,j

 0,9Q

k ,i

i1

(1.15)

1.3. Vật liệu thép sử dụng theo tiêu chuẩn thiết kế
1.3.1. Vật liệu thép theo TCVN 5575:2012
Vật liệu thép dùng trong kết cấu phải được lựa chọn thích hợp tuỳ theo tính chất
quan trọng của cơng trình, điều kiện làm việc của kết cấu, đặc trưng của tải trọng và
phương pháp liên kết, v.v. . . Về ký hiệu theo TCVN 1765:1975 thép các bon thông
thường ký hiệu là CT, hai số sau là giới hạn bền tối thiểu khi kéo đứt tính bằng
2

2

kG/mm (kN/cm ). Căn cứ theo cơng dụng, thép được chia làm 3 nhóm: Nhóm A, thép
thuộc nhóm này phải đảm bảo tính chất cơ học; nhóm B phải đảm bảo thành phần hố

học; nhóm C phải đảm bảo cả thành phần hố học và tính năng cơ học. Thép dùng làm
kết cấu chịu lực có mác tương đương với các mác thép CCT34, CCT38 (hay
CCT38Mn), CCT42 và các mác tương ứng của TCVN 5709:1993, các mác thép hợp
kim thấp theo TCVN 3104:1979. Thép phải được đảm bảo phù hợp với các tiêu chuẩn
nêu trên về tính năng cơ học và thành phần hóa học.
Khơng dùng thép sơi cho các kết cấu hàn làm việc trong điều kiện nặng hoặc trực
tiếp chịu tải trọng động như dầm cầu trục chế độ nặng, dầm sàn đặt máy, kết cấu hành
lang băng tải, cột vượt của đường dây tải điện cao trên 60m, v.v. . .
Cường độ tính tốn của vật liệu thép cán và thép ống đối với các trạng thái ứng suất
khác nhau được tính theo cơng thức của Bảng 1.4. Trong bảng này f y và fu là ứng suất
chảy và ứng suất bền kéo đứt của thép, được đảm bảo bởi tiêu chuẩn sản xuất thép và
được lấy là cường độ tiêu chuẩn của thép;là hệ số độ tin cậy về vật liệu, lấy bằng
1,05 cho mọi mác thép.


Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính toán f của thép các bon và thép hợp kim
2

thấp cho trong Bảng 1.5 và Bảng 1.6 (với các giá trị lấy tròn đến 5N/mm ).


11

Đối với các loại thép không nêu tên trong tài liệu này và các loại thép của nước
ngoài được phép sử dụng theo Bảng 1.4, lấy fy là ứng suất chảy nhỏ nhất và fu là ứng
suất bền kéo đứt nhỏ nhất của thép,M là hệ số độ tin cậy về vật liệu , lấy bằng 1,1 cho
mọi mác thép.
Bảng 1.4. Cường độ tính tốn của thép cán nóng và thép ống
(Trích bảng 4 TCVN 5575:2012)

Kéo, nén, uốn
Trượt
Ép mặt lên đầu mút (khi tì sát)
Ép mặt trong khớp trụ khi tiếp xúc chặt
Ép mặt theo đường kính của con lăn

Bảng 1.5. Cường độ tiêu chuẩn fy, fu và cường độ tính tốn của thép các bon

Cường độ tiêu chuẩn fy và cường độ tín
Mác
thép

CCT34
CCT38
CCT42

t ≤ 20