TÍNH TOÁN DẦM THÉP CÁNH RỖNG ĐỊNH HÌNH (HFB)THEO TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CỦA ÚCCACULATING HOLLOW FLANGE BEAM (HFB)ON AUSTRALIAN STANDARD

HUỲNH MINH SƠNTrường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮTViệc áp dụng công nghệ mới từ nước ngoài vào Việt Nam là quan trọng và cần thiết. Tuy vậy, trước khi đầu tư triển khai ứng dụng cần phải nghiên cứu, lựa chọn kỹ càng để không máy móc và gây lãng phí. Dầm thép cánh rỗng (Hollow Flange Beam - HFB) thuộc loại kết cấu thép thành mỏng là công nghệ mới của Úc, có nhiều ưu việt, được phổ biến ở nhiều nước trên thế giới song hiện vẫn còn hạn chế về chủng loại, tài liệu và chương trình tính. Trong điều kiện Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép thanh thành mỏng thì việc tính toán kiểm tra để ứng dụng kết cấu này vào xây dựng công trình còn gặp nhiều khó khăn. Bài báo này trình bày phương pháp tính toán và phần mềm làm công cụ đánh giá các loại tiết diện HFB định hình theo công nghệ Úc từ đó làm cơ sở thiết kế, chế tạo và ứng dụng phù hợp với thực tế Việt Nam

ABSTRACTIt is considered to be important and necessary to apply new technology from foreign countries to Vietnam. However, in order to avoid waste and mechanical application, it is significant to do careful research and choices before implementation. Hollow Flange Beam -HFB- a kind of cold formed structre is the new technology of Australia, which is also popular in many countries in the world and exposes many good points, but still has some limitations in species, meterials and software. In the condition that Vietnam hasn't had such a standard to design the cold formed structure, and still has many difficulties in calculating and examining in order to apply this structure into building construction. This article presents calculating methods and software which is regarded as an instrument to evaluate HFB section formed by Australian technology. All that presented in the article will be a base to design, produce and apply it in accordance with pratical condition in Vietnam.

1. Giới thiệu khái quát dầm thép cánh rỗng HFB

Dầm thép HFB thuộc kết cấu thép thanh thành mỏng, được nghiên cứu và phát triển ở Úc từ những năm đầu của thập kỷ 90. Công ty nghiên cứu và phát triển kỹ thuật cán thép ống Palmer (Palmer Tube Technologies Pty. Ltd - Australia) giữ độc quyền công nghệ sáng chế và phổ biến loại dầm cánh rỗng này trên toàn thế giới. Tính ưu việt của dầm HFB là kết hợp được lợi ích của kết cấu thép thành mỏng, tiết diện rỗng với hiệu quả chịu lực của dầm chữ I. Nhẹ hơn (25-40) % so với dầm chữ I thông

D

b=B-2Ro

x xt d

B

(D-d)/2

(D-d)/2

thường, có tính điển hình hoá, thống nhất hoá cao. Công nghệ tiên tiến, thuận tiện lưu kho vận chuyển, thi công công nghiệp, đáp ứng tốt yêu cầu kết cấu có nhịp vừa phải, chịu tải trọng trung bình. Tuy nhiên, số tiết diện định hình chưa nhiều, chi phí phòng gỉ và chống ăn mòn lớn hơn so với dầm thép thông thường.

- Dạng tiết diện HFB: Dầm chữ I, đối xứng, hình xương chó, gồm hai cánh rỗng hình tam giác được hàn toàn bộ và một bản bụng sườn đơn. Đối với mỗi chiều cao tiết diện, chiều cao toàn bộ tiết diện (D) và bề rộng cánh rỗng (B) đều không đổi mà chỉ chiều dày bụng dầm là thay đổi. Vì vậy, mỗi sản phẩm HFB được xác định bằng các thông số: Ví dụ: 300 (D- Chiều cao dầm) 90 (B-Bề rộng cánh) HFB (ký hiệu dầm cánh rỗng) 38 (t: Chiều dày bụng và cánh). Theo công nghệ của Úc, có 09 loại tiết diện HFB định hình như sau: 45090HFB38;40090HFB38;35090HFB38;30090HFB38;30090HFB3;30090HFB28;25090HFB28;25090HFB23;20090HFB23.

Ưu điểm của tiết diện HFB là có bề rộng cánh và chiều cao dầm lớn nên chịu uốn tốt. Trọng tâm trùng tâm chống cắt nên không chịu ảnh hưởng tải trọng xoắn. Tiết diện kín và bản bụng dày (đến 3,8mm), tỷ lệ b/t thấp nên độ cứng chống xoắn và độ ổn định tổng thể của dầm khá cao. Mặt khác, nhờ bề rộng cánh và chiều cao bụng không quá lớn nên hạn chế độ mảnh; không có mép thép bị cắt cục hay gấp mép đột ngột; cánh và bụng liên kết hàn cứng với nhau nên khó mất ổn định cục bộ. Hạn chế sườn nên không nặng nề và phức tạp.

- Chế tạo: Theo công nghệ Úc, vật liệu chế tạo dầm là thép tấm mỏng loại C450 SHS và RHS, cấp chịu lực C450 (Fy= 450 Mpa) theo tiêu chuẩn AS1163. Dầm được chế tạo trong nhà máy dựa trên phương pháp gia công vật liệu hình ống, tạo hình nguội bằng cách uốn gập thép ống nhờ máy cán ống và hàn bằng máy hàn kháng (ERW); Quá trình hàn được kiểm tra bằng cách sử dụng dòng xoắn theo phương pháp thí nghiệm không phá huỷ (Non-Destructive Testing). Tiết diện dầm HFB sẽ được định hình kích thước cuối cùng trước khi sơn lớp lót và cắt đến chiều dài thiết kế.

2. Tính toán tiết diện dầm thép cánh rỗng HFBTheo công nghệ Úc, không dùng lý thuyết thanh thành mỏng của Vlaxop trong các

quy phạm của Nga, Đức và các nước Đông Âu mà ở đây, trong điều kiện Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép thanh thành mỏng, tác giả sử dụng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép tạo hình nguội AS1538,1988 của Úc (Australian Standard, Cold-form Steel Structure) tính theo ứng suất cho phép. Khi kiểm tra ổn định tổng thể, sẽ có những hiệu chỉnh theo tiêu

chuẩn AS4100,1990. Tiêu chuẩn các nước Mỹ, Anh, Úc, Châu Âu và cả Trung Quốc đều sử dụng phương pháp này tính theo ứng suất cho phép hoặc tính theo trạng thái giới hạn.

Nội dung cơ bản của phương pháp này là xác định bề rộng hữu hiệu của các bản thép bụng và cánh của dầm HFB tham gia chịu lực đồng thời tính toán ứng suất các phân tố của dầm không vượt quá ứng suất cho phép theo quy phạm.

2.1. Xác định tiết diện hiệu dụngKhi tiết diện kết cấu thép có bản mỏng chịu nén trên mặt thì có thể xảy ra sự vênh cục

bộ. Sự vênh này tuy không phá hỏng toàn bộ tiết diện song có thể làm giảm khả năng chịu lực của tiết diện. Có nghĩa là chỉ có 1 phần bề rộng của bản thép mỏng là có khả năng chịu lực nén trung tâm với ứng suất phân bố đều gọi là bề rộng hiệu dụng be của bản mỏng. Phần còn lại b-be của bản thép mỏng coi như không có tác dụng trong việc chịu tải và xem như bỏ qua.

Karman đã xây dựng các công thức xác định bề rộng hiệu lực be của cấu kiện thép thành mỏng để chuyển việc tính toán dầm HFB trên tiết diện thô sang tính toán trên tiết diện hiệu dụng:

- Xác định tỷ số : Theo 2.4.1.2-AS1538:

Bản cánh và bản bụng: = 225. (1)

Khi tính biến dạng: = 290. (2)

k: Hệ số vênh của bản thép: k = 4 khi được ngàm giữ; k = 0,5 khi không được ngàm giữ. f: Ứng suất nén cho phép lớn nhất trong bản cánh. f = 0,6Fy (Fy: Ứng suất chảy)

- So sánh tỷ số với

Khi tỷ số thì bề

rộng tiết diện hiệu dụng be của phần bản thép phẳng của tiết diện lấy bằng b. Khi đó toàn bộ tiết diện là hiệu dụng tức là có thể dùng tiết diện thô tính toán.

Khi tỷ số > 60 thì

khi tính toán phải lấy be thay cho b.

- Xác định bề rộng hiệu dụng be:

Tiết diện chịu uốn Tiết diện chịu nén

Khi tính toán dầm chịu mômen:

bbe/2be/2

d

Caïnh chëu neïn

Caïnh chëu keïo

b

be/2

be/2

be/2be/2

= (3)

Khi tính toán biến dạng của dầm:

= (4)

Việc tính toán tiết diện dầm HFB bao gồm những nội dung chủ yếu như sau:

2.2. Ứng suất lớn nhất cho phép

- Bản cánh chịu mômen: Fbx = min (F,Fb) (5)

với F = 0,6Fy; Fb= (0,55-0,1 ).Fo khi Fo Fy; Fb= (0,95-0,5. ).Fy khi Fo Fy

- Bản bụng chịu mômen: Fbw = 0,6Fy.[1,21- 0,00013 ] và Fbw 0,6Fy (6)

- Bản bụng chịu lực cắt: 621. : Fv = (7)

> 621. : Fv = (8)

- Bụng dầm chịu mômen, lực cắt: (9)

2.3. Nội lực lớn nhất cho phép

- Mômen uốn: Mx Fbx. Zxc ; My Fby. Zyc (10)- Lực cắt: Vx Fv.Aw (11)

2.4. Kiểm tra biến dạng max [] (12)

max: Biến dạng lớn nhất của dầm. max= k.[]: Biến dạng cho phép k: Hệ số phụ thuộc sơ đồ chịu tải; w: Tải trọng phân bố trên

dầm.

2.5. Kiểm tra ổn định tổng thể Kiểu mất ổn định tổng thể:Do đặc điểm

tiết diện đối xứng và kín nên khả năng chống xoắn tốt. Nhờ bản bụng đủ dày giúp tạo ra kiểu uốn dọc khác với các loại dầm thông dụng. Cánh

nén của dầm chuyển vị chủ yếu theo phương ngang, nhưng với độ xoắn không đáng kể làm bụng chỉ bị vặn đi, dầm rất ít bị xoắn khi mất ổn định. Kiểu biến dạng hầu như thuần tuý phương ngang. Nếu có biện pháp giằng giữ hợp lý, dầm sẽ không bị mất ổn định tổng thể. Điều này thoả mãn khi dầm liên kết với các bản sàn.

Dầm chữ I thông dụng Dầm HFB

Kiểm tra ổn định: Theo Heldt & Mahendran: - Xác định chiều dài hữu hiệu dầm (5.6.3-AS4100): Le = kt.k.k1.L FLR (13)

kt: Hệ số kiềm chế sự xoắn. k: Hệ số kiềm chế sự xoay.

kl: Hệ số chiều cao của tải trọng. FLR: Chiều dài lớn nhất của đoạn dầm được giằng giữ theo phương ngang.

- Kiểm tra ổn định tổng thể: Mb Mo = m.s.Ms (14) Mb: Mômen lớn nhất trong dầm. Mo: Mômen tới hạn đàn hồi. Ms= fy.Zc: Mômen uốn cho phép của tiết diện thô. m: Hệ số hiệu chỉnh mômen. s: Hệ số giảm độ mảnh.

2.6. Kiểm tra ổn định cục bộ Dầm cánh rỗng do có chiều dày mỏng nên phải khống chế tỷ lệ b/t để không mất ổn

định ở ứng suất nhỏ hơn giới hạn chảy. Có 02 trường hợp mất ổn định: - Méo mó, cong vênh mặt cắt: Theo Bradford, giải quyết bằng cách giảm ứng suất tới

hạn. - Bẹp cánh; Biến dạng bụng khi chịu tải trọng tập trung: Khi thiết kế phải kiểm tra:

* Tải trọng cho phép lớn nhất để tránh bẹp cánh: P Pfy = 0,6.Fy.t2.bbf. (15)

bbf: Chiều dài chịu tải quy ước; gối biên: bbf = bs + (D-d)/2; gối giữa:bbf = bs + (D-d); bs: Bề rộng gối tựa

* Tải trọng lớn nhất cho phép để tránh biến dạng bụng: P Pwb = Fa.t.bb (16) Fa: Ứng suất nén cho phép lớn nhất trong bụng dầm. bb: Chiều dài truyền tải quy ước. Gối biên: bb = bs + D/2; Gối giữa: bb = bs + D;

* Tác dụng tương hỗ giữa mômen uốn và tải tập trung: 0,8 (17)

với Pmax = min (Pfy; Pwb)

2.7. Chọn số hiệu tiết diện dầm HFB định hình1. Xác định nội lực lớn nhất do tải trọng gây ra trong dầm: Mômen Mx và lực cắt Vx.2. Căn cứ vào khả năng chịu uốn của tất cả các loại tiết diện thép dầm cánh rỗng HFB

định hình, chọn số hiệu thép dầm có (M)x lớn hơn Mx.3. Kiểm tra tiết diện dầm HFB: Theo điều kiện bền, điều kiện biến dạng (độ võng),

điều kiện ổn định cục bộ và ổn định tổng thể

3. Phần mềm tính toán kiểm tra dầm HFBDựa trên lý thuyết tính toán theo tiêu chuẩn AS1538, tác giả đã thiết lập các bảng tra

sử dụng để thiết kế tính toán kiểm tra dầm HFB đồng thời xây dựng được chương trình Hfb DS-2003 (Hollow flange beam Design Sofware - 2003) bằng ngôn ngữ Visual Basic để tính toán kiểm tra tiết diện dầm HFB với những đặc trưng hình học của thép thành mỏng theo bảng tra các tiết diện HFB định hình tiêu chuẩn của Úc. Chương trình trình bày đầy đủ các bảng tra đặc trưng hình học tiết diện, nội lực lớn nhất cho phép khi chịu uốn, chịu nén, chịu nén-uốn, chịu kéo, chịu kéo-uốn và các giá trị lực tập trung cho phép không làm mất ổn định cục bộ tiết diện. Tính toán đầy đủ và chính xác các bài toán ứng dụng cơ bản: Chọn tiết diện, kiểm tra, tính sức chịu tải của dầm HFB. Phân tích, khảo sát các ví dụ cụ thể với số liệu đầu vào thay đổi tuỳ ý từ đó đánh giá hiệu quả phương án dầm HFB so với dầm định hình thép cán nóng thông thường. Đối chiếu kết quả chương trình với các thiết kế mẫu của Úc cho thấy có thể tin cậy được. Việc tính toán dầm HFB có thể mở rộng đối với các tiết diện chịu nén, chịu nén-uốn và chịu kéo do đó hoàn toàn có thể phát triển nghiên cứu tiết diện HFB trong các kết cấu chịu lực khác như cột, khung, dàn...

4. Kết quả tính toánÁp dụng phương pháp và phần mềm nêu trên cho phép tính toán được một số kết quả

sau:1. Tính toán được khả năng chịu tải của các số hiệu dầm HFB định hình 2. Tính toán được khả năng vượt nhịp, độ võng và ứng suất khi nhịp và tải trọng thay

đổi.3. So sánh với dầm chữ I cùng nhịp và tải trọng về trọng lượng, ứng suất và độ võng

5. Kết luậnSử dụng thuật toán và phần mềm Hfb DS-2003 cho phép tính toán kiểm tra chính xác

các loại dầm thép HFB định hình theo công nghệ Úc. Nhờ đó cho phép lựa chọn thiết kế và ứng dụng các tiết diện HFB vào thực tế xây dựng Việt Nam, dùng cho các cấu kiện thép nhẹ như: Dầm sàn, dầm mái, dầm tường, xà gồ, cột hoặc thanh nén và các khung nhẹ. Sự khác biệt về vật liệu (thép cường độ cao (Fy=450 Mpa) theo công nghệ Úc và thép cường độ thường (Fy=250 Mpa) như nước ta không cản trở việc ứng dụng dầm HFB. Để nâng cao hiệu quả kinh tế, cần nghiên cứu bổ sung làm phong phú hơn các dạng tiết diện theo nhu cầu thực tế, đồng thời cần nghiên cứu phát triển lý thuyết tính toán tiết diện theo trạng thái giới hạn, kết hợp nghiên cứu thực nghiệm tối ưu hoá tiết diện, hoàn thiện chương trình tính toán, mở rộng phạm vi ứng dụng cho các cấu kiện chịu nén, chịu nén-uốn như cột, dàn, khung có nhịp và tải trọng vừa phải.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Đoàn Định Kiến, Ổn định kết cấu thép và kết cấu thép nhẹ, Trường Đại học Xây dựng, 2001.

[2] Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tú, Hoàng Văn Quang, Hoàng Ngọc Thanh, Kết cấu thép 2 - Công trình dân dụng và công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 1998.

[3] Australian Standard (1988) Cold- formed Steel Structures, AS 1538-1988. [4] Australian Standard (1991) Steel Structure, AS 4100-1991. [5] Dempsey, R.I-Hollow Flange Beam Member Design Manual, Palmer Tube

Technologies Pty /Ltd, 1993.[6] Heldt, T.J and Mahendran, M -AS 4100 for the design of Hollow Flange Beams in

Portal Frame Buildings, Physical Infrastructure Center QIT, Brisbane, 1994.