TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 1 THIẾT LẬP QUY TRÌNH TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN CỘT THÉP THÀNH MỎNG, CHỮ I, CÁNH RỖNG THEO TIÊU CHUẨN AS-1538 (ÚC) ESTABLISHMENT OF A CALCULATING PROCESS FOR THE HOLLOW FLANGE BEAM COLUMN SECTION IN ACCORDANCE WITH AS-1538 STANDARD (AUSTRALIA) Huỳnh Minh Sơn Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thiết lập quy trình tính toán tiết diện cột thép thành mỏng chữ I, cánh rỗng theo tiêu chuẩn thiết kế AS-1538 của Úc. Các cấu kiện lựa chọn áp dụng quy trình là cột chịu nén trung tâm và cột chịu nén-uốn trong khung nhà công nghiệp nhẹ sử dụng loại tiết diện đặc biệt HFB (Hollow Flange Beam) định hình chế tạo theo công nghệ của Úc. Quy trình tính toán này có ý nghĩa trong điều kiện Việt Nam chưa ban hành tiêu chuẩn thi ết kế thép thành mỏng. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy việc ứng dụng các kết cấu tiết diện HFB vào thực tế xây dựng Việt Nam. ABSTRACT The article presents the result of a study on the establishment of a calculating process for the hollow flange beam column section concerning Australian Standard (AS-1538). The selected samples are centre-compressed columns and flexure-compressed columns in the frame structure of industral buildings that used a special hollow flange beam section made in accordance with Australian Standard. This process is useful in the Vietnamese conditions in which a standard for this thin-wall steel structure design has not been issued. The result of this study aims to contribute to the application of the hollow flange beam structure to the real construction works in Vietnam. 1. Đặt vấn đề Tiết diện chữ I, cánh rỗng, thép thành mỏng chế tạo theo công nghệ của Úc (Hollow Flange Beam - viết tắt là HFB) kết hợp được lợi ích của tiết diện chữ I với tiết diện rỗng nên có nhiều ưu việt có khả năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế không chỉ ở dạng dầm HFB chịu uốn mà còn có thể ứng dụng trong các cột chịu nén và chịu nén trung tâm. Trong điều kiện chúng ta chưa ban hành tiêu chuẩn thiết kế thép thành mỏng, tạo hình nguội đồng thời chưa có nhiều nghiên cứu ứng dụng về loại kết cấu có tiết diện đặc biệt này, việc thiết lập quy trình tính toán cột HFB theo tiêu chuẩn AS-1538 (Australian Standard - Cold-formed Steel Structure) có ý nghĩa thiết thực đóng góp tài liệu hướng dẫn tính toán thiết kế ứng dụng công nghệ mới vào thực tế xây dựng Việt Nam. 2. Nội dung 2.1. Tính toán khả năng chịu lực của tiết diện HFB (xem Hình 1) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 2 2.1.1. Tính toán khả năng chịu mômen - Từ ứng suất cho phép (F bx ), (F by ) ta tính được mômen uốn cho phép: + Theo trục x-x: M x = F bx . Z xc (1) + Theo trục y-y: M y = F by . Z yc (2) F bx ; F by : Ứng suất cho phép của cánh theo trục x-x và y-y tính theo 3.3.2-AS1538, + F bx = min (F,F box ) (3) + F by = min (F,F boy ) (4) F: Ứng suất cho phép của tiết diện. F = 0,6f y khi không kể đến sự tăng cường độ do uốn nguội F = 0,6f ya khi kể đến sự tăng cường độ do uốn nguội. F box ; F boy : Ứng suất cho phép ở cánh cột theo trục x-x; y-y đảm bảo ổn định tổng thể: F box = (0,55-0,1 khi F ox  f y (5) và F boy =(0,55-0,1 khi F oy  f y (6) F box =(0,95-0,5 ).F y khi F ox f y (7) và F box =(0,95-0,5 ).F y khi F ox f y ( 8) f y : Giới hạn chảy của thép; f ya : Giới hạn chảy của thép có kể đến sự tăng cường độ do uốn nguội F ox ; F oy Ứng suất tới hạn đàn hồi của tiết diện HFB theo trục x- x;y-y. Z xc , Z yc : Mômen chống uốn hữu hiệu theo trục x-x;y-y tra bảng đặc trưng hình học tiết diện HFB Sử dụng chương trình HFB- DS2008 có thể tính được mômen uốn cho phép như Bảng 1; Đồ thị 1. - Chiều dài tính toán L e càng lớn mômen uốn cho phép càng giảm chứng tỏ ổn định tổng thể ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu tải trọng của cấu kiện HFB. Do đó cần thiết Hình 1. Tiết diện hữu hiệu cột HFB Bảng 1  Đồ thị 1. Mômen uốn cho phép tiết diện HFB TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 3 phải thiết kế liên kết hạn chế chuyển vị ngang của cánh tức là giảm chiều dài tính toán L e để tăng mômen uốn cho phép cho cấu kiện. 2.1.2. Tính toán khả năng chịu nén - Từ ứng suất nén cho phép (F a ), ta tính được lực nén cho phép: P a = F a . A (9) + Theo trục x-x: P ax = F ax .A + Theo trục y-y: P ay = F ay .A A: Diện tích tiết diện thô của tiết diện. F a : Ứng suất nén cho phép tính theo (10) F ax ;F ay : Ứng suất nén cho phép theo trục x-x; y-y trong cột tương ứng với ứng suất tới uốn dọc Euler F cr =F ox (theo L ex ) hoặc F cr = F oy (theo L ey ) Sử dụng chương trình HFB-DS2008, tác giả tính được lực nén cho phép như Bảng 2,3 và Đồ thị 2,3. Bảng 4. Hệ số chiều dài tính toán cột HFB B ản g 2 – Đ ồ th ị 2. L ự c nén cho p hé p theo x - x Bảng 3 – Đồ thị 3. Lực nén cho phép theo y - y TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 4 2.2. Thiết lập quy trình tính toán cột tiết diện HFB theo AS-1538 (Úc) 2.2.1. Quy trình tính toán cột HFB chịu nén trung tâm Khi trong cột chỉ có lực nén trung tâm, chọn số hiệu tiết diện thoả các điều kiện về bền, ổn định. a) Bước 1: Xác định chiều dài tính toán L ex = k ex .L (11) L ey = k ey .L (12) L: Chiều dài hình học của cấu kiện chịu nén. k ex ;k ey Hệ số chiều dài tính toán tra bảng 4 b) Bước 2: Xác định nội lực Tính toán lực nén tính toán P w do tải trọng c) Bước 3: Chọn số hiệu tiết diện Dựa vào khả năng chịu nén của cột HFB tra bảng 2 và 3, chọn tiết diện có lực nén P min  P w . d) Bước 4: Kiểm tra bền - Tính nội lực tính toán trong cột P (kể đến trọng lượng cột w o tra bảng tiết diện HFB định hình): P = P w + w o .L - Kiểm tra bền: P  P min = min (P ax ;P ay ) (13) e) Bước 5: Kiểm tra ổn định tổng thể - Dầm HFB đối xứng kép nên mất ổn định chủ yếu do uốn dọc: P  P cr = min (P ox ;P oy ) (14) P ox ; P oy : Lực nén tới hạn Euler: P ox = (15); P oy = (16) I x ,I y : Mômen quán tính tiết diện thô theo trục x-x và trục y-y tra bảng tiết diện HFB định hình E : Môđun đàn hồi của thép. E = 200.10 3 Mpa. 2.2.2. Quy trình tính toán cột HFB chịu nén-uốn (khung nhà công nghiệp nhẹ) Khi cột khung có mômen và lực nén, chọn số hiệu tiết diện thoả các điều kiện về bền và ổn định: a) Bước 1: Xác định chiều dài tính toán L ex ; L ey tính theo (11) và (12) L ex = k ex .L L ey = k ey .L L: Chiều dài hình học của cấu kiện chịu nén-uốn. k ex ;k ey Hệ số chiều dài tính toán của cấu kiện chịu nén-uốn tra bảng b) Bước 2: Xác định nội lực TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 5 Tính toán lực nén P; mômen m x ; m y do tải trọng gây ra c) Bước 3: Chọn số hiệu tiết diện Dựa vào khả năng chịu nén của cột HFB tra Bảng 1 chọn tiết diện có lực nén thiết kế P a  P. d) Bước 4: Kiểm tra bền Điều kiện bền chịu lực nén: - Tính nội lực tính toán trong cột P (kể đến trọng lượng cột w o tra bảng tiết diện HFB định hình) P = P w + w o .L - Kiểm tra bền: P  P min = min (P ax ;P ay ) Điều kiện bền chịu mômen: - Tính lại mômen trong cột m x ; m y (kể đến trọng lượng cột w o tra bảng tiết diện HFB định hình) w = w s + w o .L - Tra Bảng 1 M x ( ứng với L ex ) và M y (ứng với L ey ) theo số hiệu vừa chọn. - Kiểm tra bền: m x  M x ; m y  M y e) Bước 5: Kiểm tra tác dụng đồng thời của lực dọc và mômen uốn Áp dụng 3.7.1-AS-1538: Quy định kiểm tra ứng suất đồng thời chịu nén-uốn như sau: + Khi : (17) + Khi > 0,15: (18) f a : Ứng suất nén do tải trọng gây ra. f bx , f by : Ứng suất nén do tải trọng gây ra theo trục x-x hay y-y F a : Ứng suất nén cho phép của tiết diện tính theo (10) F bx , F by :Ứng suất cho phép trong bản cánh. F bx = F by = 0,6.F y Viết lại dưới dạng công thức chứa các giá trị nội lực P, m x và m y , ta được: - Khi < 0,15: (19) - Khi >0,15: (20) P : Lực nén trung tâm tính toán do tải trọng gây ra. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 6 P a : Lực nén trung tâm cho phép tính theo (9) m x ; m y :Mômen uốn theo trục x-x và trục y-y do tải trọng gây ra. M x ; M y : Mômen cho phép theo trục x-x; y-y tính theo (2.4),(2.5) hoặc tra Bảng 1 C mx , C my : Các hệ số mômen tính theo 1.4.1.4- AS1538. Sử dụng HFB- DS2008 tính được ở Bảng 5 P ox ; P oy : Lực nén tới hạn Ơle tính theo các công thức (15)(16): f) Bước 6: Kiểm tra Ổn định tổng thể - Cột HFB đối xứng kép nên mất ổn định chủ yếu do uốn dọc kiểm tra theo (11) P  P cr = min (P ox ;P oy ) P ox ; P oy : Lực nén tới hạn tính theo các công thức Euler (15);(16) 2.3. Xây dựng chương trình tính toán cột HFB theo AS-1538 - Chương trình HFB-DS2008 được xây dựng trên ngôn ngữ VISUAL BASIC 6.0 là ngôn ngữ lập trình hiện đang được ứng dụng khá phổ biến vì có những ưu việt và thuận tiện cho người sử dụng, giao diện chương trình gọn, đẹp, cho phép nhập và xuất số liệu các bài toán theo mục tiêu tính toán. - Chương trình gồm 04 menu chính: + Các bảng tra tiết diện HFB định hình + Tính toán chọn tiết diện cột HFB + Kiểm tra bền tiết diện cột HFB + Kiểm tra ổn định tổng thể cột HFB - Phần nhập số liệu đầu vào được thực hiện ngay trong các menu tính toán trực tiếp trên các cửa sổ giao diện của mỗi bài toán. Các số liệu đầu vào có thể thay đổi trực tiếp thông qua các giao diện của các Menu Display. Nếu kết quả không đạt yêu cầu cho phép trở về các form nhập lại dữ liệu để tính lại các bài toán. Nếu kết quả đạt yêu cầu sẽ cho phép xuất dữ liệu dưới dạng file text. Bảng 5. Hệ số mômen uốn Cm TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 7 - Phần xuất kết quả hiển thị ngay trên cửa sổ giao diện của mỗi bài toán đồng thời lưu dưới dạng các file text (*.txt). Chương trình hỗ trợ đồ hoạ minh hoạ kết quả tính toán. Xem sơ đồ khối Hình 2 3. Kết luận Thiết lập được các công thức tính toán nội lực cho phép trong các cấu kiện chịu uốn và nén trung tâm tiết diện HFB Xây dựng được các bảng tra nội lực và tải trọng cho phép khi chịu mômen uốn và chịu nén trọng đối với 09 số hiệu HFB định hình theo công nghệ của Úc. Thiết lập được quy trình tính toán cột HFB chịu nén trung tâm; chịu nén -uốn theo AS -1538 . Xây dựng được chương trình tính toán cấu kiện HFB-DS2008 làm công cụ tính toán ứng dụng công nghệ kết cấu thép thành mỏng, tiết diện chữ I, cánh rỗng vào thực tế xây dựng Việt Nam. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huỳnh Minh Sơn - Nghiên cứu sự làm việc và ứng dụng dầm thép cánh rỗng HFB - Luận văn Thạc sỹ - ĐH Xây dựng - 2003. [2] Huỳnh Minh Sơn, Phạm Văn Hội - Nghiên cứu áp dụng dầm thép cánh rỗng HFB theo công nghệ Úc - Kỷ yếu Hội thảo khoa học Quốc gia "Kết cấu thép trong Xây dựng" - Hà Nội 12/2004. [3] Huỳnh Minh Sơn - Tính toán khả năng chịu lực của cột thép cánh rỗng HFB theo Hình 2. Sơ đồ khối chọn tiết diện cột HFB TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 8 tiêu chuẩn thiết kế của Úc - Tạp chí khoa học công nghệ Đại học Đà Nẵng số 2/6- 2004. [4] Đoàn Định Kiến - Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội - NXB Xây dựng – 2005. [5] Australian Standard - Cold-formed Steel Structure, Australia –1988 [6] Dempsey, R.I - Hollow Flange Beam Member Design Manual - Palmer Tube Technologies - 1993. [7] Key P.W and Hancock, G.J – A Theoretical Investigation of the Column Behaviour of Cold-formed Square Hollow Sections – Thin-walled Structructure – 1993. [8] Ings, N.L and Trahair, N.S – Beam and Column Buckling under Directed Loading - Journal of Structural Engineering – 1987. [9] Hancock, Gregory - Desigh of cold-formed Steel structures to Australian/New Zealand Standard (AS/NZS:4600) – Australian Institute of Steel Construction 1998. . TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009 1 THIẾT LẬP QUY TRÌNH TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN CỘT THÉP THÀNH MỎNG, CHỮ I, CÁNH RỖNG THEO TIÊU CHUẨN AS-1538 (ÚC) ESTABLISHMENT. 2.2. Thiết lập quy trình tính toán cột tiết diện HFB theo AS-1538 (Úc) 2.2.1. Quy trình tính toán cột HFB chịu nén trung tâm Khi trong cột chỉ có lực nén trung tâm, chọn số hiệu tiết diện. AS-1538 STANDARD (AUSTRALIA) Huỳnh Minh Sơn Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu thiết lập quy trình tính toán tiết diện cột thép thành