GVC. ĨS. VŨ QUỐC ANH

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

KHUNG THÉPLIÊN KẾT ĐÀN HỒI

(Tài bản)

NHÀ XUẤT BẢN XÂY DỰNGHÀ N Ộ I-2 0 1 3

LỜI NÓI ĐẦU

Trong nlũmg năm gán đáy, do sự phát triển mạnh m ẽ của nén kinh t ế đất nước, rất nhiều công trình dân dụng và cóng nghiệp dã được xây dựng. Trong đó phán ìcm các công trình công nghiệp được làm bắng kết cấu thép. Tlùếl k ế khung thép với liên kết đàn hồi là một Irong những hướng nghiên cứu mới, phù hợp với xu lucớng phát triển trong xây dimg kết cấu công trình bằng thép hiện nay lại Việt Nam và trên th ế giới. Thiết k ế khung thép Hên kết dàn hồi dược xây dựng dựa trên mô hình lính sát thực tế hơn, cho hiệu quà kinli t ế cao hơn so với phương pháp lính thông thường vì việc sử dụng liên kết đàn hồi làm cho sự phân phôi nội lục trong khung hợp lý hơn, rút ngắn thời gian thi công cóng trình do những liên kết hàn pliức tạp ngoài hiện trường được thay thê bâng các Hên kết bu lông. Việc lính loán và thiết k ế khung thép liên kết đàn hổi đã được thực hiện ỏ rất nhiêu nước trên th ế giới như Mỹ, Anh, Pháp, Nhật Bàn, ú c , . . . và đã đưa vào liêu chuẩn, quy phạm của các nước như: tiêu chuẩn Euro code 3, liêu chuẩn Anh BS 5950 - 2000, tiêu chuẩn Australia AS 4100-1990, quy phạm Hoa K ỳAISC-LRFD 1999.

Theo các liêu chuẩn vò giáo trình tính toán kết cấu công trình ở Việt Nam hiện nay, khi tính khung thép thường chì xét trường hợp Hên kết giữa dầm và CỘI là liên kết cứng hoặc khcrp, chưa xét đến liên kết đàn hồi. M ặc dù tính khung thép xét đến độ đàn hồi cùa liên kết dấm CỘI là hoàn toàn thực tế, phản ánh đúng hơn mô hình làm việc của khung và thường cho hiệu quả kinh t ế cao hơn. Hiện nay, tại Việt Nam, đã có một sô' nghiên cím lỷ thuyết về Hên kết đàn hồi, nhưng còn thiếu các tài liệu hướng dần thực hành tính toán và thiết k ế khung thép có xét đến độ đàn hồi của liên kết.

Cuốn sách này biên soạn nhằm mục đính làm tài liệu học tập cho sinh viên các ngành xây dựng và làm tài liệù tham khảo cho kỹ sư, cán bộ kỹ thuật, cán bộ nghiền cứu ngành xây dựng khi tinh toán và thiết ké khung thép với liên kết đàn hồi cho những công trình thực tế. Nội dung cuốn sách cung cấp những kiến thức cơ bán về phương pháp tinh, tiêu chuẩn thiết k ế và các thí dụ tính toán minh họa vé khung thép có

3

Xél dến độ đàn hồi của liéII kết đ ể bạn dọc dề ílí'mg ứng chuiịỊ tron li tliực t ế thiết kế.

Tác già xin chân tliànli cảm ơn các bạn đổng ngliiệp ờ Khoa Xíìx dicng Trường đại học Kiến trúc Hù Nội đã đóng góp V kiến và giúp dỡ đ ế hoàn thành cuốn sách.

Sách được biên soạn lấn dẩn và đây là lĩnh vực mới nén cliắc thán cuốn sách còn có thiếu sót. Tác già rất mong nhận được V kiến dóitiỊ góp cùa bạn đọc. Mọi góp ỷ xin gìn về Bộ môn Kết cấu thép, Khoa Xây dưng, Trường đại học Kiến trúc Hà Nội.

T ác giả

4

MỞ ĐẨU

1. VAI T R Ò VÀ VỊ TRÍ CỦA KẾT CẤU THÉP TR O N G NGÀNH XÂY D ựN G ỞV IỆT NAM

Trong cõng cuộc cải cách, công nghiệp hoá và hiện đại hoá ngành xây dựng, kết cấu thép đóng một vai trò hết sức quan trọng. Việc áp dụng khoa học và công nghệ tiên tiến cũng như nghiên cứu, hoàn thiện phương pháp tính là h ít sức cần thiết đối với công trình kết cấu thép. Trong lĩnh vực xây dựng kết cấu thép hiện đại có nhiểu đặc điểm khác với các loại công trình truyển thống như: khung thép nhà cao tẩng, kết cấu bê tông thép liên hợp, kết cấu dàn không gian nhịp lớn, nhà thép tiền chế, đồng thời còn có nhiểu công trình chuyên dụng và đặc biệt khác như: cột ăng ten, tháp cao, bể chứa, dàn khoan... Sử dụng các loại thép chất lượng cao, công nghệ thi công và chế tạo tiên tiến. Trong sự phát triển chung của nền kinh tế nước ta việc xây dựng hàng loại các công trình phục vụ dân sinh và sản xuất, ngành kết cấu xây dựng đặc biệt là kết cấu thép đã phát triển theo hướng tiên tiến, hiện đại, tiến tới hội nhập với các nước trong khu vực và thế giới. Các kỹ sư kết cấu đang có rất nhiều cơ hội và thách thức trong lĩnh vực nghiên cứu, triển khai thực hiện các dự án sử dụng kết cấu mới và công nghệ hiện đại. Trong bối cảnh lịch sử chung của nưóc ta, trước nay cơ sở vật chất của ngành kết cấu thép Việt Nam, từ máy móc gia công, phương tiện sản xuất, công nghệ thi công cho tới các tiêu chuẩn, quy phạm đều dựa trẽn nền tảng khoa học và công nghệ kết cấu thép của Liên Xô cũ. Một vấn đề cẩn đặt ra là làm thế nào để đưa công nghiệp kết cấu thép Việt Nam với cơ sở khoa học công nghệ sẩn có hoà nhập vào thị trường kết cấu thép trong khu vực và thế giói.

2. S ơ LƯỢC TÌNH HÌNH XÂY DỤNG NHÀ s ử DỤNG KẾT CẤU KHUNG THÉP

Công trình sử dụng các xà ngang thép đẩu tiên tại Nga đó là Điện Kremlin vào thế kỷ mười bảy. Năm 1849, những dầm chữ I bằng thép cao 0,14 m, dài 5,4 m đã được sản xuất làm xà gồ mái cho nhà ga xe lửa ờ Paris. Dẩm đinh tán đã được dùng làm xà ngang cho khung thép của cung điện Crystal Palace ở Luân đôn năm 1851. Nhà khung thép 10 tầng đẩu tiên là nhà Home Insurance Building được xây dựng tại Chicago nãm 1883. Khái niệm về khung nhà thép đã xuất hiện đẩu tiên tại Chicago Mỹ, và được gọi bằng thuật ngữ “Xây dựng Chicago”. Vào cuối thế kỷ mười chín, đấu thế kỷ hai mươi, các loại nhà sử dụng khung thép phát triển rất mạnh ở New York. Sau đây là một vài số liệu

5

về cao ốc sử dụng khung thép đã được xây dựng trong khoảng đầu thế kỷ hai mươi: năm 1902 Flatiron cao 87m, nâm 1904 Times Square cao 114m, năm 1908 Metropolitan Tower cao 200m, năm 1912 W oolworth cao 234m, năm 1929 Chrysler cao 319m, và sự hoàn thành Empire State Building cao 381m vào năm 1931 đã đánh dấu một kỷ lục thế giới vể nhà cao tầng thời bấy giờ. Theo thời gian nhà cao tầng sử dụng kết cấu khung thép vẫn tiếp tục được xây dựng tại Mỹ, một vài công trình điển hình được xây dựng trong thập kỷ 70 là toà Standard Oil o f Indiana Building tại Chicago cao 359m năm 1970, Sears Building cao 445m năm 1972, First City Tower cao 207m tại Houston, Texas năm 1979.

Một vài công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu khung thép tại Canada là: First Bank Tower tại Toronto cao 285m xây dựng năm 1973, Ngân hàng Quốc gia Canada (National Bank of Canada) cao 128m xây dựng năm 1979 tại Montreal, Bow Valley tại Calgary cao 79 m xây dựng năm 1982.

Châu Âu cũng là nơi kết cấu khung thép được sử dụng khá phổ biến. Một vài công trình tiêu biểu là: Ngân hàng Quốc gia W estm inster cao 183 m tại Luân Đôn (Anh) xây năm 1970, Tour Maine Montparnasse cao 209,13 m tại Pari (Pháp) xây năm 1971. Tổ hợp phát thanh tại Cologne (Đức) cao 119,19m xây năm 1975. Sân bay Matxcơva xây dựng năm 1970 với kích thước mặt bằng 301,8 X I33,5m và chiều cao 42,5m. Các nhà cao tầng trên đường vành đai thành phố Matxcơva và nhà cao nhất cùa Liên xô cũ là trường Đại học Quốc gia Lomonoxov cao 239,5m sử dụng khung thép, được xây dựng ngay sau chiến tranh thế giới thứ II.

Ở châu Á, do yêu cẩu phát triển kinh tế cũng đã có rất nhiều nhà cao tầng khung Ihép được xây dựng. Kể từ năm 1986 trở lại đây, Trung Quốc đã xây dựng được khoảng 25 nhà cao tầng bằng thép, toà nhà cao nhất là Jinm ao Tower xây dụng tại Thượng Hải cao 365m có 3 tầng hầm và cao 88 tầng, toà Pudong International Financial Mansion cao 230m có 3 tầng hầm và cao 53 tầng.

Kết cấu khung thép được sử dụng rất rộng rãi tại Nhật Bản. Một vài công trình tiêu biểu là: khách sạn Keio Plaza cao 170m năm 1971, nhà ở cao tẩng Ashiya tại Osaka cao 84,26 m năm 1976, vãn phòng Shinjuku cao 222,95m tại Tokyo năm 1976, nhà cao nhất của Nhật bản sử dụng kết cấu khung thép hiện nay là toà Landmark cao 296m.

Nhà cao tầng sử dụng khung thép giữ kỷ lục thế giới nhiều năm liền là Petronas Tower ở M alaysia cao 45 l,9m hoàn thành năm 1996.

Tại Australia nhà tiêu biểu sử dụng kết cấu khung thép là toà BHP ở Melbourne cao 150 m, xây năm 1970.

Qua một vài thông tin trên thấy rằng kết cấu khung thép đã và đang được sử dụng rộng rãi và liên tục phát triển ở nhiều nưởe trên thế giới.

6

Ở Việt Nam, nhà cao tầng sử dụng kết cấu khung thép đầu tiên mang tên Diamond Plaza, sô' 34 Lê Duẩn, thành phố Hồ Chí Minh, gồm ba toà nhà liên hoàn 4 tầng, 13 tẩng và 20 tầng hoàn thành tháng 12 năm 1998. Nhà được xây dựng theo công nghệ kết cấu thép hiện đại, lẩn đầu tiên được ứng dụng ờ nuớc ta.

3. TÍNH ƯU VIỆT KHI s ử DỤNG KẾT CẤU KHUNG TH ÉP

Khung thép lắp ráp nhanh, không cẩn sử dụng ván khuôn, trọng lượng nhẹ hơn so với khung bêtông, bền chắc, tuổi thọ công trình cao, các cấu kiện được sản xuất trong nhà máy có thể kiểm tra được chất lượng. Các tính chất cùa thép không thay đổi nhiều theo thời gian so với bè tông. Do được chê tạo với chất lượng tốt, có thể công nghiệp hoá xây dựng ờ mức cao đã làm giảm rất nhiểu các công việc ngoài hiện trường, tiết kiệm sức lao động. Kết cấu khung thép dẽ đáp ứng được các yêu cầu thay đổi sau khi xây dựng, và có khả năng tái sử dụng tốt. sử dụng khung thép có khả năng vượt được các nhịp lớn, giảm được các kết cấu tường ngăn và cột trung gian. Tiết diện các cấu kiện nhỏ, chiếm ít diện tích nhà, tãng đáng kể diện tích sử dụng. Mặt bằng thi công chiếm ít diện tích do việc chế tạo khung thép ờ trong xuởng, rất phù hợp khi xây dựng trong điều kiện thành phố. Thời gian thi công ít ảnh hưởng vì điều kiện thời tiết. Do trọng lượng nhẹ nên kích thước móng có thể nhò, nên tốn ít vật liệu làm móng. Yêu cẩu về kinh tế: khi thiết kế khung thép một trong những mục tiêu chính cần đạt được đó là giá thành toàn bộ công trình thấp nhất. Sử dụng khung thép có thể đẩy nhanh tốc độ xây dựng, sớm đưa công trình vào khai thác, mau chóng đưa lại lợi nhuận kinh tế cho chủ đáu tư.

4. YÊU CẨU VỂ KINH TẾ VÀ KỶ THUẬT KHI TH IẾT KẾ VÀ THI CÔNGKHUNG THÉP

Nói chung thép là vật liệu quí hiếm và được sử dụng cho mọi ngành trong nền kinh tế quốc dân, vì vậy tiết kiệm thép là một trong nhũng vấn đề quan trọng nhất khi thiết kế kết cấu thép. Nhiệm vụ tiết kiệm thép trong khung thép về cơ bản thường được giải quyết trong quá trình thiết kế. Sử dụng mô hình tính chính xác cũng có tác dụng nhiều đến tiết kiệm thép.

Theo cách tính khung thông thường, liên kết giữa dầm và cột thường được giả thiết là cứng hoặc là khớp. Trong thực tế làm viộc của kết cấu và qua các kết quả thí nghiệm nhận thấy rằng các liên kết được coi là cứng giữa đầm và cột trong khung thép đều có độ đàn hổi nhất định. Vì vậy khi nghiên cứu sự làm việc của khung thép cần xét đến độ đàn hồi cùa liên kết. M ô hình này cho phép tính toán khung thép sát với sự làm việc thực tế hơn so với mô hình khung thép liên kết cứng hoặc khớp thường được lý tưởng hoá.

Khi sù dụng khung thép cấu tạo với liên kết đàn hổi thường có những ưu điểm sau:

7

a) V é gia công difng lắp-. Tốc độ thi công nhanh do liên kết đàn hồi chù yếu là liên kết bu lông, dựng lắp dễ dàng và thuận tiện, giảm bớt được các liên kết hàn ngoài công trường. Giá thành chế tạo liên kết đàn hồi thường rẻ hơn so với liên kết cứng do bớt được các sườn gia cường và giảm mức độ phức tạp cùa liên kết.

b) V é sơ đồ tính'. Sát thực tế hcm, liên kết đàn hồi có khả nãng phân phối lại nội lực trong khung do đó có thể điều chỉnh để tiết kiệm được thép làm dầm.

c) Vê khai thác sử dụng: Giảm được chiều cao tầng nhà do tiết diện dầm tương đối thấp, tiết kiệm được vật liệu bao che, cũng như giảm được năng lượng tiêu thụ trong quá trình sử dụng. Khả năng thay đổi sửa chữa cũng như tái sử dụng cũng dễ dàng hơn so với liên kết cứng.

Các nội dung trình bày còn đi theo hướng cải tiến sơ đổ tính kết cấu phù hợp với so đồ làm việc thạc tế vể phương điện cấu tạo để đạt được hiệu quả trong xây dựng khung thép. Trong nhà công nghiệp một tầng, khung được liên kết với nhau bằng hệ giằng cấu tạo theo yêu cầu ổn định, nhưng nếu trong tính toán còn xét thêm vai trò cùa chúng trong sự làm việc không gian của công trình ắt sẽ hiệu quả hơn: ngoài mục đích tiết kiệm thép, biện pháp này còn làm tăng thêm độ bền vững và cải thiện được điều kiện sử dụng của công trình.

5. CÁC VẤN ĐÊ CHÍNH ĐƯỢC TRÌNH BÀY TRONG NỘI DUNG

Qua phân tích trẽn thấy cẩn xây dựng phương pháp phân tích và tính toán khung thép với các liên kết đàn hồi, nhằm thoả mãn những yêu cẩu: chính xác, tin cậy, và sát với mô hình làm việc thực tế, đáp ứng công nghộ chế tạo, gia công kim loại, tiết kiệm vật liệu, nhưng vẫn đảm bảo các điều kiện an toàn theo tiêu chuẩn.

- Các bài toán phân tích: nội lực và chuyển vị, kể cả nhũng trường hợp có xét đén hiộu ứng P-Delta, ổn định, dao dộng, và dao động xét đến phi tuyến hình học, cho khung thép liên kết đàn hồi có và không có phần nút cứng.

- Sự làm việc không gian kết cấu khung nhà công nghiệp một tầng với bài toán ổn định, và kiểm tra độ cứng khung ngang.

Nghiên cứu giảm bớt một số hạn chế khi kiểm tra ổn định khung thép nói chung và khung nhà công nghiệp nói riẽng theo TCXDVN 338 : 2005.

8

C hư ơng I

TỔNG QUAN VỂ KẾT CÂU KHUNG THÉP VỚI LIÊN KẾT ĐÀN H ố i

1.1. PHÂN TÍCH S ự CẦN THIẾT CỦA VIỆC NGHIÊN c ứ u KHUNG THÉP LIÊN KẾT ĐÀN HỒI

1.1.1. Phân tích và thiết kế khung thép liên kết đàn hồi

Do sự phát triển nhanh về khoa học và công nghệ, đặc biệt là công nghệ chế tạo kim loại, cùng với các phương pháp tính tiên tiến, việc đưa ra mô hình tính sát với sự làm việc thực của hệ kết cấu là cần thiết, đáp ứng được các yêu cầu thực tế trong xây dựng hiện nay. Nghiẽn cứu khung thép liên kết đàn hổi là một trong những hướng nghiên cứu mới, phù hợp với xu hướng phát triển trong xây dựng kết cấu công trình bằng kim loại hiện nay tại Việt Nam và trên thế giói.

Giá thành kết cấu là một trong những mối quan tâm lớn trong xây dựng nhà cao tầng bằng thép cũng như mọi kết cáu thép dân dụng và công nghiệp khác. Cùng với tiến bộ khoa học và công nghệ, lý thuyết và phương pháp tính dùng trong thiết kế kết cấu thép đã và đang được nghiên cứu và phát triển. Trong kết cấu thép hiện đại, sự phân bố vật Liệu rắt gần với trạng thái làm việc tối ưu và kinh tế. Vói những phưcmg án thiết kế mới và công nghệ chế tạo tiên tiến, các cấu kiộn cơ bản nhu dầm và cột được chế tạo vói chất lượng cao và có trọng lượng nhỏ hơn.

Trong kết cấu khung thép, liên kết giữa dầm và cột là liên kết cơ bản tạo nên kết cấu khung, đóng vai trò hết sức quan trọng, đảm bảo sự làm viộc bình thường của khung, và ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng chịu lực, độ cứng, độ ổn định của toàn hệ kết cấu.

Trong thiết kế kết cấu thép truyền thống, một cách gần đúng vả đơn giản khi phân tích nội lực và chuyển vị khung thép, thường giả thiết liên kết giữa dầm và cột là liên kết cúng hoặc liên kết khớp lý tưởng. Tuy nhiên, trường hợp mỏ hình được coi là cứng, nhưng thực tế trong liên kết đó vẫn có độ đàn hổi nhất định do biến dạng của các phần từ được liên kết và biến dạng cục bộ của các phân tố nối như bulông, tấm nối... Qua kết quả cùa nhiều nghiên cứu thực nghiêm và sự làm việc thực tế của kết cấu, thấy rằng liên kết giữa dầm và cột trong kết cấu thép bằng liên kết bu lông và ngay cả liên kết hàn đều có độ đàn hồi nhất định. Vì vậy, mô hình liên kết đàn hổi cẩn được đưa vào để tính khung.

9

Khi giả thiết là liên kết cứng, đã bỏ qua độ đàn hồi của liên kết, thông thường các chuyển vị tính toán cùa khung đều nhỏ hơn thực tế, trái lại nội lực của các tiết diện gần nút thường có giá trị lớn hơn, do đó tiết diện dầm và kích thước liên kết cũng lớn hơn so với yêu cẩu. Khi giả thiết liên kết cứng để tính khung, mô men lớn nhất trong dầm thường là mô men gối, nhưng nếu xét đến độ đàn hổi cùa liên kết tất sẽ có sự phân bố lại mô men trong dầm: liên kết đàn hổi sẽ làm cân bằng mô men tại gối và mô men ở giữa nhịp. Ngược lại trong trường hợp dầm liên kết khớp với cột, mô men lớn nhất trong dầm xuất hiên tại giữa nhịp và mô men gối bằng không, nhưng nếu sử dụng liên kết đàn hổi sẽ có tác dụng phân phối lại mô men giữa gối và nhịp. Nói cách khác: mô men lớn nhất trong dầm đã giảm đi. Vì thế việc sử dụng liên kết đàn hổi có khả năng làm giảm trọng lượng của toàn bộ khung, chủ yếu là do đã giảm được kích thước cùa dầm. Do giảm được chiẻu cao của dầm nên chiêu cao xây dựng của từng tầng cũng giảm đi, giảm được vật liệu bao che và tiết kiệm được nãng lượng trong quá trình sử dụng công trình.

Độ đàn hổi của liên kết giũa cột và móng cũng có ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu khung thép, nhưng hiện nay vẫn chưa đuợc nghiên cứu một cách kỹ lưỡng. Khi thiết kế vẫn thường giả thiết chân cột khung liên kết khớp hay liên kết ngàm với móng.

Mô hình tính khung có xét đến độ đàn hổi của liên kết tuy đã được nghiên cứu từ khá lâu nhưng còn gặp khó khăn khi đưa vào thực tế, vì thiếu phương pháp cũng như công cụ tính toán phù hợp. Khối lượng tính toán và mức dộ phức tạp sẽ tăng lên và rất khó sử dụng các phương pháp tính toán thủ công.

Vói công cụ tính toán phát triển nhanh, đặc biệt là khả năng phân tích xử lý của máy vi tính và các ngôn ngữ lập trình mạnh, trong những năm gẩn đây cũng đã xuất hiện nhiẻu công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, tiếp cận các mô hình làm việc chính xác hon cho khung thép. Trong đó mô hình tinh toán khung thép có liên k£t đàn hồi là một trong nhũng hướng phát triển mới trong phân tích và tính toán khung thép hiện nay.

1.1.2. Về chế tạo và dựng láp khung thép có liên kết đàn hồi

Giá thành gia công chế tạo liên kết chiếm một phần tương đối lớn trong toàn bộ giá thành kết cấu khung thép. Vì vậy, các phương án cấu tạo của liên kết hợp lý cần được nghiên cứu, xem xét thận trọng ngay trong giai đoạn đầu của quá trình thiết kế. Nói chung các liên kết cẩn được chế tạo đơn giản, dễ lắp đật, đảm bảo đúng tiêu chuẩn thiết k ế cũng như các yêu cẩu cấu tạo và sửa chữa sau này, đồng thời sát với mô hình tính. Theo kinh nghiệm thiết kế, liên kết cứng thường chế tạo phức tạp, kéo dài thời gian thi công và giá thành cao hơn liên kết đàn hổi. Sử dụng liên kết đàn hồi đã tiết kiệm đuợc vật liêu do giảm được các sườn gia cường, và giá thành gia công chế tạo liên kết.

10