SO SÁNH ÁP DỤNG TIÊU CHUẨN AISC/ASD (MỸ)
VỚI TIÊU CHUẨN TCVN 5575- 1991 (VIỆT NAM) ĐỂ
KIỂM TRA ỔN ĐỊNH CỤC BỘ DẦM THÉP BẢN TỔ HỢP
COMPARISON APPLYING STANDARD AISC/ASD (AMERICAN)
TO STANDARD TCVN 5575-1991 (VIETNAMESE)
INTO CHECKING BUCKLING OF PLATE GIRDERS
HUỲNH MINH SƠN
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Bài báo nhằm giới thiệu một cách áp dụng Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép AISC/ASD (1989 -
Hoa Kỳ) hiện đang rất phổ biến trên thế giới và đặc biệt đối với nhà thép tiền chế ở Việt Nam
để kiểm tra ổn định cục bộ dầm bản tổ hợp và so sánh với tiêu chuẩn TCVN 5575-1991 (Việt
Nam). Kết quả nghiên cứu cho phép mạnh dạn sử dụng tiêu chuẩn nước ngoài vào ứng dụng
và chuyển giao công nghệ mới trong thực tế xây dựng nước ta.
ABSTRACT
This article introduces a method of applying AISC/ASD (American Structural Steel Buildings
Standard) into checking the buckling of plate girders which is very popular in Pre-engineered
Buildings, in comparison with the TCVN 5575-1991 (Vietnamese Structural Steel Buildings
Standard). The results of this study is significant in using foreign standards in the process of
applying and transfering technology to our country.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trước đây ở nước ta, khi nhịp lớn thường sử dụng dàn thép tổ hợp từ 2 thép góc tuy
giải quyết được yêu cầu chịu lực, tương đối tiết kiệm vật liệu song hạn chế lớn nhất là chiếm
chiều cao nhà, chế tạo thủ công, năng suất thấp và giá thành cao. Sự ra đời của công nghệ nhà
thép tiền chế (Pre-Engineered Buildings) từ những năm 90 của các công ty nước ngoài: Zamil
steel, Kirby, BHP, Blue scope Lysaght… đã nhanh chóng và phát triển chiếm lĩnh thị trường
Việt Nam, được một số doanh nghiệp trong nước vận dụng chế tạo thành công ở những mức
độ khác nhau. Cấu tạo từ dầm bụng đặc, tổ hợp từ thép bản tiết diện vát dạng chữ I (chiều cao
thay đổi tuyến tính phù hợp biểu đồ ứng suất), kết cấu thép nhà tiền chế được tiêu chuẩn hoá
và hợp lý hoá toàn diện các giai đoạn thiết kế, chế tạo và lắp dựng phù hợp với yêu cầu của
mỗi loại công trình. Do đó, nhà tiền chế có những ưu điểm nổi bật về công nghệ và kinh tế:
Tiết kiệm vật liệu; chế tạo đơn giản; chính xác; trọng lượng nhẹ; cường độ cao; không gian
linh hoạt; thuận tiện bảo dưỡng và rất ít ảnh hưởng môi trường. Tuy vậy, việc áp dụng tiêu
chuẩn nước ngoài để thiết kế, kiểm tra tiết diện dầm bụng đặc, khung nhà thép tiền chế đối
với các kỹ sư Việt Nam còn khá mới mẻ và khó khăn.
Vấn đề đặt ra là: Dầm bản tổ hợp bản bụng đặc thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam
thường có bề dày lớn nhưng vẫn phải bố trí sườn gia cường nặng nề và tốn thép, trong khi
thiết kế theo tiêu chuẩn nước ngoài cấu kiện thường có tiết diện mỏng hơn nhưng vẫn không
cần bố trí sườn. Đối với kết cấu dầm bản tổ hợp, việc kiểm tra ổn định cục bộ cho bản bụng
và bản cánh là hết sức quan trọng và cần thiết vì nó quyết định sự làm việc cũng như tính kinh
tế của phương án. Mặt khác, không thể sử dụng tiêu chuẩn Việt Nam để kiểm tra các kết cấu
thép thiết kế, chế tạo theo công nghệ nước ngoài như: Mỹ, Anh hay Úc…Vì vậy, để hội nhập
và ứng dụng công nghệ mới, cần thiết phải nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn nước ngoài mà tiêu
chuẩn AISC/ASD là rất phổ biến đối với các kết cấu tiền chế Jamin steel, đồng thời cần có
những phân tích để thấy được sự khác biệt về quan điểm giữa tiêu chuẩn AISC/ASD với tiêu
chuẩn Việt Nam.
2. GIỚI THIỆU TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP AISC/ASD (MỸ)
Là quy phạm do Viện kết cấu thép Hoa Kỳ (American Institute of Steel Construction -
AISC) ban hành năm 1989 hướng dẫn và quy định thiết kế nhà thép theo phương pháp ứng
suất cho phép. Tiêu chuẩn này, áp dụng cho 16 loại thép theo tiêu chuẩn vật liệu Mỹ (ASTM)
có cường độ kéo từ 32 kN/cm2 đến 57 kN/cm2. Quy phạm này sử dụng hệ số an toàn FS= 1,67
nghĩa là ứng suất cho phép = ứng suất chảy của vật liệu chia cho hệ số an toàn FS = Fy/1,67 =
0,6 Fy cho dầm và cấu kiện chịu kéo.
3. KIỂM TRA ỔN ĐỊNH CỤC BỘ DẦM BẢN THEO AISC/ASD (MỸ)
3.1. Phân cấp tiết diện dầm
Tiêu chuẩn AISC/ASD (Mỹ) phân cấp tiết diện
gồm 03 loại:
- Cấp tiết diện đặc (Compact section):
Bản cánh:
y
f
f
F
t
b65
2 (1) và Bản
bụng:
y
wF
t
d640
(2)
Cho phép khả năng chịu mômen của dầm đạt đến mômen dẻo M=Mp do đó ứng suất
cho phép khi chịu uốn là Fb = 0,66 Fy.
- Cấp tiết diện không đặc (Non - compact section):
Bản cánh:
cy
f
f
kF
t
b
/
95
2 (3) và Bản bụng:
b
wF
t
d760
(4)
Cho phép khả năng chịu mômen của dầm đạt đến mômen chảy M=My do đó ứng suất
cho phép chịu uốn là Fb = 0,60Fy. Khi dầm tổ hợp có bụng là đặc hoặc không đặc; cánh là
không đặc:
cy
f
f
ykF
t
b
F/
95
2
65 (5)
Ứng suất cho phép nội suy giữa 02 giá trị trên: Fb = Fy [ 0,79-0,002 cy
f
fkF
t
b/
2] (6)
- Cấp tiết diện mảnh (Slender section):
Nếu độ mảnh của cánh hoặc bụng dầm vượt quá tỷ số giới hạn không đặc, tiết diện bị
coi là mảnh, ứng suất cho phép phải giảm đi hệ số Qs:
Khi
cy
f
f
cy kF
t
b
kF /
951
2
/
95 (7) thì: QS = 1,293 - 0,00309. cy
f
fkF
t
b/.
2
(8)
d
b
f
t
w
h
t
f
t
f
H.1.
Kích thước tiết diện dầm bản
Khi
cy
f
f
kF
t
b
/
951
2 (9) thì: QS = 2
.)/(
26200
tbF
k
y
c (10)
- Nhận xét: Tiêu chuẩn Việt Nam không phân cấp tiết diện như tiêu chuẩn Mỹ mà chỉ
quy định 01 loại tiết diện. Tiêu chuẩn Mỹ phân cấp tiết diện thành 03 cấp như trên tuỳ thuộc
độ mảnh (điều kiện ổn định cục bộ cánh và bụng dầm) do đó linh hoạt hơn vì nó cho phép
người thiết kế sử dụng nhiều loại tiết diện thậm chí rất mảnh. Đây là một ưu thế của tiêu
chuẩn AISC/ASD (Mỹ) cũng như các tiêu chuẩn BS (Anh); Eurocode (Châu Âu) so với
TCVN5575-1991 (Việt Nam). Điều này có thể thấy rõ khi khảo sát các tiết diện nhà thép tiền
chế thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ có chiều cao lớn nhưng bản bụng rất mỏng mà không dùng
sườn.
H.2. Phân cấp tiết diện dầm theo độ mảnh bản cánh và bản bụng dầm bản tổ hợp
3.2. Phân biệt dầm thường và dầm bản tổ hợp
Dầm thường hay được chế tạo bằng thép hình cán nóng, bụng làm việc bình thường
với hai cánh mà không cần sườn gia cường, khả năng chịu lực và vượt nhịp là hạn chế. Dầm
bản tổ hợp (gọi tắt là dầm bản) được chế tạo từ những bản thép có khả năng vượt nhịp và chịu
tải trọng lớn hơn dầm thường, chiều cao tiết diện theo yêu cầu chịu tải không hạn chế và
thường lớn hơn dầm thường. Dầm bản thường có bản bụng độ mảnh lớn nên khi tính toán
phải xét đến sự giảm khả năng chịu uốn và cắt khi xét đến sự oằn (mất ổn định cục bộ) của
bản bụng. Do đó, phân biệt dầm bản với dầm thường là dựa vào độ mảnh bản bụng.
- Đối với dầm có độ mảnh bản bụng:
b
wF
t
h760
(11) thì coi là dầm thường.
- Đối với dầm có độ mảnh bản bụng:
b
wF
t
h760
(12) thì coi là dầm bản.
Nhận xét: Tiêu chuẩn Việt Nam không phân biệt dầm bản và dầm thường khi tính toán
theo điều kiện bền. Nếu độ mảnh bản bụng không quá lớn thì không cần bố trí sườn và dầm
bản sẽ được tính toán và cấu tạo hoàn toàn tương tự như dầm thường. Việc thiết kế dầm bản
trong tiêu chuẩn Mỹ do đó được quy định thành 01 chương riêng (Chapter 6) với những công
thức tính toán cụ thể khác tiêu chuẩn Việt Nam.
3.3. Kiểm tra ổn định cục bộ dầm bản
Khả năng chịu uốn và cắt của dầm bản phụ thuộc rất nhiều vào độ mảnh của bản bụng.
Nếu độ mảnh bụng dầm quá lớn sẽ gây ra các hiện tượng mất ổn định cục bộ như sau:
h/t
cy kF /
F
b
F
b
640/ y
F
Bụng
Không đặc Mảnh Đặc
760/ y
F
0,66F
y
0,6F
y
0,66F
y
0,6F
y
65/ y
F
Cánh
Không đặc Mảnh Đặc
b
f
/t
f
- Oằn do uốn trong mặt phẳng bụng làm giảm khả năng bụng dầm chịu một phần
mômen uốn.
- Oằn theo phương đứng của cánh nén do bụng không đủ độ cứng để giữ cho cánh
khỏi bị oằn.
- Oằn do bụng dầm chịu uốn.
1. Oằn do uốn bản bụng dầm: Trong phần trên bụng dầm, ứng suất nén có thể làm mất
ổn định cục bộ bản bụng. Khi
b
F
t
h760
: Bụng sẽ bị oằn
trước khi thớ biên đạt ứng suất chảy Fy. Phần bụng bị mất
ổn định bỏ qua, không xét đến, tiết diện thu lại chỉ còn tiết
diện hữu hiệu.
Khả năng chịu uốn: Mn = My. [1-
0,0005
y
f
w
F
t
h
A
A980 ] < My (13)
Do đó, ứng suất cho phép đối với bản bụng dầm có
bản bụng bị oằn:
F’b = Fb. RPG (14)
Fb: Ứng suất cho phép của bụng dầm. RPG: Hệ số giảm ứng suất
uốn bản bụng khi oằn. RPG = [1-0,0005
b
f
w
F
t
h
A
A760 ] < 1 (15).
Aw: Diện tích bản bụng. Af: Diện tích 01 bản cánh. Điều kiện không bị uốn cục bộ:
b
F
t
h760
(16) 2. Oằn cánh dầm theo phương đứng:
Nếu bụng dầm quá mảnh sẽ không
đủ độ cứng để giữ cho cánh nén của dầm
khỏi oằn theo phương đứng. Điều kiện
không xảy ra sự oằn theo phương đứng cánh
nén. - Khi không có sườn đứng hoặc sườn
cách nhau quá 1,5h
)5,16(
14000
yy FF
t
h (17)
- Khi sườn cách nhau nhỏ hơn 1,5h:
y
F
t
h2000
(18)
3. Oằn do cắt của bụng dầm: Khi bản bụng có độ mảnh lớn có thể bị oằn do cắt.
- Ứng suất tới hạn của bụng dầm chịu cắt: 22
2
)/)(1(12
..
w
v
cr th
Ek
(19)
kv: Hệ số phụ thuộc tỷ số cạnh ngắn trên cạnh dài ô bản.
d
b
f
t
w
h
t
f
b
e
F
y
H.3 O
ằn do uốn bản bụng
b
f
d
Bụng không
đủ cứng
h
t
f
w
Cánh oằn theo
phương đứng
H. 4 Oằn cánh dầm theo phương đứng
Khi a/h 1: k= 4,0 + 2
)/(
34,5
ha (20). Khi a/h 1: k= 5,34 + 2
)/(
0,4
ha (21)
- AISC quy định ứng suất cho phép chịu cắt của bụng dầm bản: Fv = y
Yv F
FC 4,0
89,2
(22)
Cv =
y
cr
: Tỷ số giữa ứng suất oằn khi cắt và ứng suất chảy khi cắt:
Cv = 2
.
.45000
w
y
v
t
h
F
k khi Cv < 0,8 (23) và Cv=
y
v
wF
k
th .
/
190 khi Cv >0,8 (24)
AISC quy định phải bố trí sườn ngang khi tỷ số h/t > 260 và ứng suất cắt trung bình
lớn nhất của bụng lớn hơn Fv.
Khoảng cách các sườn ngang đảm bảo ứng suất cắt của bụng dầm không vượt quá FV
và thoả:
2
/
260
th
h
a và ≤ 3 và mômen quán tính một cặp sườn Is ≥ ( 4
)
50
h. Mặt khác, tỷ số bề
rộng trên bề dày của sườn phải thoả điều kiện không đặc:
y
F
t
b95
. Sau khi bản bụng mất ổn
định cục bộ,dầm vẫn chưa bị phá hoại hoàn toàn mà vẫn có thể làm việc như một dàn. Các
sườn ngang sẽ chịu lực nén và phần bụng còn lại chịu lực kéo (gọi là tác dụng của trường lực
kéo. Tác dụng của trường lực kéo làm tăng cường độ cắt của bụng nên ứng suất cắt cho phép
khi có sườn trung gian: Fv =
2
/1.15,1
1
.
89,2 ha
C
C
FV
V
y (25) (không áp dụng cho ô đầu
tiên)
3.4. Trình tự kiểm tra ổn định cục bộ dầm bản
1. Xác định nội lực (mômen uốn, lực cắt) và ứng suất (ứng suất uốn, cắt) trong dầm
2. Kiểm tra phân cấp tiết diện dầm:
- Xét điều kiện độ mảnh bản bụng suy ra cấp của tiết diện bản bụng.
- Xét điều kiện độ mảnh bản cánh suy ra cấp của tiết diện bản cánh.
3. Xác định ứng suất cho phép khi uốn và cắt trong bụng và cánh dầm.
4. Kiểm tra ứng suất trong dầm không vượt quá ứng suất cho phép.
5. Tính toán bố trí sườn gia cường (nếu cần thiết)
4. VÍ DỤ CỤ THỂ
Kiểm tra ổn định cục bộ dầm bản nhịp L=12m, chịu tải
trọng phân bố đều q=5,5T/m. Sử dụng thép A36 của Mỹ (Fy=
36ksi= 24,8kN/cm2) tương đương với thép CT3 của Việt Nam.
1. Tính đặc trưng hình học tiết diện:
Diện tích cánh: Af = 38.1,5 = 57 cm2
Diện tích bụng: Aw = 1.117 = 117cm2
Mômen quán tính: Ix = 533693 cm4
Môđun kháng uốn: Wx= 8895 cm3
15
380
10
1170
15