Khảo sát thép thành mỏng ở nhiệt độ cao
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.05 MB, 136 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
WX
TRƯƠNG ĐÌNH THẢO ANH
ĐỀ TÀI
KHẢO SÁT THÉP THÀNH MỎNG
Ở NHIỆT ĐỘ CAO
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
MÃ SỐ NGÀNH: 23.04.10
TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10 NĂM 2004
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học: GS. PHAN NGỌC CHÂU
Cán bộ chấm nhận xét 1: ...................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ...................................................................................
Luận văn được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ngày …….. tháng …….. năm 2004.
Có thể tìm luận văn tại Thư viện Trường Đại Học Bách Khoa
Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
1
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
Bộ Giáo Dục và Đào Tạo
Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
-----------------------
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Trương Đình Thảo Anh
Ngày, tháng, năm sinh: 13/10/1979
Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng &ø công nghiệp
I- TÊN ĐỀ TÀI:
Phái: Nữ
Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh
Mã số: XDDD 13-001
KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu lý thuyết tính toán dựa trên tiêu chuẩn Eurocode phát triển từ thép
thanh thành mỏng ở nhiệt độ thường đến nhiệt độ cao được cho bởi Ranby (1999).
Dựa vào lý thuyết đã nghiên cứu, xây dựng chương trình ứng dụng tính toán ổn định
uốn dọc cục bộ – uốn dọc tổng thể – uốn – uốn xoắn của cột thanh thành mỏng ở
điều kiện nhiệt độ cao bằng ngôn ngữ Visual Basic là NMAX.
Khảo sát mô hình PTHH cột thép thanh thành mỏng ở điều kiện nhiệt độ bằng
chương trình ABAQUS của Olli Kaitila.
So sánh phân tích các kết quả tính theo lý thuyết và theo PP PTHH, nhận xét về
tính đúng đắn của phương pháp. Rút ra kết luận và kiến nghị.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IV- NGAØY HOAØN THÀNH NHIỆM VỤ: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
GS. PHAN NGỌC CHÂU
CHỦ NHIỆM NGÀNH
BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH
GS. Phan Ngọc Châu
Nội dung và luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày. . . tháng. . . năm 2004
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
KHOA QUẢN LÝ NGÀNH
2
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
LỜI CẢM ƠN
Hôm nay, nhân dịp hoàn thành LUẬN VĂN, em xin chân thành cảm ơn:
Gs. PHAN NGỌC CHÂU đã trực tiếp hướng dẫn em trong quá trình làm luận
văn, về tất cả lòng nhiệt tình, kiến thức cũng như tình cảm thầy đã dành cho em
suốt chặng đường từ khi là sinh viên đại học đến nay. Thầy đã quan tâm, theo dõi
ủng hộ và đôn đốc em để em có thể hoàn thành đề tài đạt chất lượng yêu cầu.
Bố mẹ đã quan tâm chăm sóc, đã tạo mọi điều kiện để con hoàn tất luận văn.
Các bạn bè, các em đã giúp đỡ,động viên em về các mặt khác.
Trương Đình Thảo Anh
TP. HCM, tháng 10 naêm 2004
3
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
TÓM TẮT
Ứng xử của thép thanh thành mỏng dập nguội tiết diện mở ở nhiệt độ cao đã
được nghiên cứu trong suốt quá trình phát triển của phương pháp phần tử hữu hạn .
Phân tích bao gồm mô hình uốn dọc cục bộ và tổng thể (uốn và uốn-xoắn) của phần
tử tấm và cột và phân tích lực tới hạn của cột nhờ vào các chương trình tính toán
thương mại hóa.
Thiết kế cột thanh thành mỏng ở nhiệt độ cao bằng phương pháp tính toán
cho bởi Ranby trên cơ bản của tiêu chuẩn Eurocode 3 ở nhiệt độ thường lên đến
nhiệt độ cao. Phân tích bao gồm ảnh hưởng của sự quyết định đặc trưng vật liệu phụ
thuộc vào nhiệt độ bằng thực nghiệm, điều kiện biên và điều kiện ràng buộc khác
nhau và sự phân bố nhiệt độ không đều theo thời gian. So sánh với kết quả phương
pháp phần tử hữu hạn cho thấy tính chính xác của phương pháp tính toán lý thuyết
dựa vào chương trình ứng dụng được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Visual
Basic.
nh hưởng của sự mất ổn định lên đặc trưng độ cứng và lực tới hạn cũng
được phân tích. Sự lựa chọn đường cong uốn dọc đối với thiết kế cột thép thanh
thành mỏng được thảo luận đến. Nhiệt độ tới hạn của thép thanh thành mỏng có thể
cao nhiều hơn cả nhiệt độ mà Eurocode cho là 3500C.
93 trang + Phụ Lục 34 trang
Ghi chú
Phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH, FEA).
Eurocode 3 (EC3).
4
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
..................................................................................... 3
TÓM TẮT
..................................................................................... 4
MỤC LỤC
..................................................................................... 5
GHI CHÚ KÝ HIỆU
..................................................................................... 8
1.
MỞ ĐẦU
..................................................................................... 13
1.1
Tổng quan
................................................................................... 13
1.2
Mục đích – Phạm vi – Giới hạn của luận văn ................................ 14
1.3
Nội dung chính ............................................................................... 15
1.4
Hệ trục tọa độ ...................................................................................
16
2.
ỨNG XỬ VÀ THIẾT KẾ THÉP THANH THÀNH MỎNG
Ở ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ CAO ........................................................
17
2.1
Yếu tố tiêu biểu ............................................................................. 17
2.2
Sơ lược quá trình phát triển nghiên cứu về thiết kế chống cháy .... 21
3.
ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU ........................................................................ 27
4.
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH UỐN DỌC Ở ĐIỀU KIỆN
NHIỆT ĐỘ CAO ..................................................................................... 32
4.1
Tổng quan
................................................................................... 32
4.2
Ổn định uốn ................................................................................... 33
4.3
Ổn định uốn-xoắn .......................................................................... 38
SƠ ĐỒ KHỐI tính toán: Đặc trưng tiết diện, Tiết diện thực (hữu hiệu)
Ổn định uốn ở nhiệt độ không đổi, Ổn định uốn, Ổn định uốn-xoắn.
5.
ỔN ĐỊNH CỤC BỘ Ở ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ CAO ........................ 54
5
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
5.1
Tổng quan
5.2
Tấm thép đơn giản ......................................................................... 54
5.2.1
................................................................................... 54
Phân tích tính toán ............................................................. 54
5.2.2 Mô hình PTHH và so sánh kết quả ..................................... 55
5.3
6.
Thép thanh thành mỏng tiết diện C ............................................... 59
5.3.1
Phân tích tính toán ............................................................. 59
5.3.2
Mô hình PTHH và so sánh kết quả ................................... 61
ỔN ĐỊNH UỐN CỦA CỘT THÉP THANH THÀNH MỎNG
Ở ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ CAO ............................................................ 63
6.1
Tổng quan
................................................................................... 63
6.2
Phân tích tính toán ổn định uốn của tiết diện C ............................. 64
6.3
PP PTHH và so sánh kết quả lý thuyết ổn định uốn tiết diện C ... 67
6.3.1
Phân tích mô hình PP PTHH ............................................. 67
6.3.2
Phân tích uốn dọc ............................................................. 68
6.3.3
Phân tích Lực- Chuyển vị ở nhiệt độ không đổi .............. 72
6.3.3.1 Kết quả phân tích PTHH và theo lý thuyết ......... 72
6.3.3.2 Nhận xét và so sánh ............................................ 74
6.3.4
Phân tích phi tuyến mô hình xét đến gradient nhiệt độ .... 78
6.3.4.1 Phân tích mô hình PP PTHH ............................... 78
6.3.4.2 Kết quả và so sánh .............................................. 81
6.4
7.
Các kết quả thực nghiệm khác ...................................................... 82
6.4.1
Thực nghiệm bởi Young và Rasmussen ............................ 82
6.4.2
Thực nghiệm bởi Feng, Wang và Davies .......................... 85
ỔN ĐỊNH UỐN - XOẮN CỦA CỘT THÉP THANH THÀNH MỎNG
Ở ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ CAO ............................................................ 90
6
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
7.1
Tổng quan
................................................................................... 90
7.2
Phân tích tính toán ổn định uốn-xoắn của tiết diện C ................... 90
7.3
PP PTHH so sánh kết quả lý thuyết ổn định uốn-xoắn tiết diện C
92
8.
7.3.1
Phân tích mô hình PP PTHH ............................................. 92
7.3.2
Dự báo giá trị uốn dọc và so sánh .................................... 93
7.3.3
Phân tích phi tuyến tính .................................................... 94
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 100
PHỤ LỤC 1
Tính toán ổn định uốn và ổn định uốn-xoắn và cường độ tới hạn
của tiết diện cột thép thanh thành mỏng theo chương trình NMAX
PHỤ LỤC 2
Chương trình ứng dụng NMAX
( xây dựng trên ngôn ngữ lập trình Visual Basic 6.0)
7
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
GHI CHÚ KÝ HIỆU
A
Tiết diện ngang của cấu kiện [mm2]
Agr
Tiết diện ngang tổng cộng của cấu kiện [mm2]
Aeff
Diện tích thực (hữu hiệu) của tiết diện [mm2]
B1
Chiều cao của thân [mm]
B2
Chiều cao của cánh [mm]
Bz
Độä cứng uốn bằng EIz đối với uốn theo trục z [Nmm2]
C
Độ cứng xoắn bằng GIt [Nmm2]
Cid*
Độ cứng xoắn lý tưởng hóa [Nmm2]
Cw
Độ cứng cong (oằn) bằng EIw [Nmm4]
E
Mun đàn hồi [mm2]
F
Lực dọc [N]
FalT
Ứng suất cho phép đối với lực dọc trục ở nhiệt độ tới hạn [N/mm2]
Fu
Lực tới hạn [N]
FyT
Cường độ bền ở nhiệt độ tới hạn [N/mm2]
G
Mun đàn hồi trượt [N/mm2]
Gk
Tải trọng tónh [N]
H
Năng lượng tổng cộng [J]
Ieff
Moment quán tính thứ hai của tiết diện ngang thực tế [mm4]
Igr
Moment quán tính thứ hai của tiết diện ngang tổng cộng [mm4]
It
Hằng số xoắn [mm4]
Iz
Moment quán tính thứ hai của tiết diện theo trục z [mm4]
Iw
Hằng số cong (oằn) [mm6]
L
Chiều dài, chiều dài uốn doïc [mm]
8
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
My(z)
Ngoại moment theo trục y [Nmm]
My,Sd
Ngoại moment uốn theo trục y [Nmm]
∆My,Sd
Moment phụ do ảnh hưởng của sự lệch trục theo trục y [Nmm]
Mz,Sd
Ngoại moment uốn theo trục z [Nmm]
∆Mz,Sd
Moment phụ do ảnh hưởng của sự lệch trục theo trục z [Nmm]
M
Moment uốn [Nm]
Mb
Moment uốn của một dầm [Nm]
M*
Ma trận khối lượng giả tạo
N
Lực tác dụng [N]
Nb.buck
Lực uốn dọc tính được [N]
Nb.Riks
Lực uốn dọc tính được bởi phương pháp Riks [N]
Nb.cr
Lực uốn dọc [N]
Nb.Rd
Lực tới hạn do uốn dọc [N]
Nc.Rd
Lực tới hạn [N]
Ncr
Lực uốn dọc [N]
Ncr,y
Lực ổn định tới hạn Euler [N]
NFE
Lực tới hạn tính được [N]
NSd
Lực dọc tác dụng [N]
Nu
Lực dọc tới hạn [N]
PT
Lực tính toán tới hạn của cấu kiện riêng ở 1 nhiệt độ cao T [N]
P1...P ∝
Lực tập trung [N]
Qk,1
Tải trọng động [N]
Sx
Moment tónh theo trục chính của tiết diện C [mm3]
T
Nhiệt độ [°C]
Ts
Nhiệt độ thép [°C]
9
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
T1
Nhiệt độ cánh [°C]
T2
Nhiệt độ cánh [°C]
∆T
Nhiệt độ khác ngay giữa các cánh, ∆T = T2 - T1 [°C]
W
Moment chống uốn của tiết diện [mm3]
Weff,y,com
Moment chống uốn của tiết diện thực theo trục y [mm3]
Weff,z,com
Moment chống uốn của tiết diện thực theo trục z [mm3]
a
Khoảng cách [mm]
a1...a ∝
Khoảng cách tương ứng với lực tập trung P1...P ∝ [mm]
b
Khoảng cách từ tâm trượt tới trục trong đó ổn định uốn dọc tới hạn bị
ràng buộc [mm], hay
b
Chiều rộng của tấm [mm]
beff
Chiều rộng thực của tấm (được giảm bớt) [mm]
bw
Chiều rộng của thân [mm]
c
Hệ số giảm, không có thứ nguyên
e
Độ lệch tâm [mm]
eo
Độ lệch tâm thực ban đầu do gradient nhiệt [mm]
e ∆E
Độ võng ở giữa chiều dài do trục trung hoà [mm]
e ∆T
Độ võng ở giữa chiều dài do gradient nhiệt [mm]
e(∆T)
Độ võng ở giữa chiều dài do tác dụng nhiệt
trong phương pháp của Gerlich [mm]
e(∆M)
Độ võng ở giữa chiều dài do moment uốn
trong phương pháp của Gerlich [mm]
fy
Ứng suất bền [N/mm2]
fy,0.2
Ứng suất theo 0.2% biến dạng dẻo [N/mm2]
fyb
Cường độ bền cơ bản [N/mm2]
10
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
fp0.2,θ
0.2% Ứng suất chịu lực (Ứng suất theo 0.2% biến dạng dẻo) [N/mm2]
h
Chiều cao của thân [mm]
i
Hệ số của ràng buộc dọc cột ở cánh bị căng, không có thứ nguyên
ip
Bán tính quán tính cực đối với tâm trọng lực [mm]
kw
Hệ số ràng buộc cong (oằn), không có thứ nguyên
kσ
Hệ số uốn dọc của tấm, không có thứ nguyên
n
Tổng số lực tập trung P ∝ ,
pz
Lực phân bố ngang [N/mm]
q
Lực phân bố tuyến tính [N/mm]
t
Thời gian [min]
t
Chiều dày của tấm [mm]
ui
Chuyển vị dọc trục [mm]
u
Chuyển vị dọc trục theo trục i [mm]
v
Vector nút
x, y, z
Trục đối với tâm trọng lực
ys, zs
Tâm trượt đối với tâm trọng lực [mm]
zE
Khoảng cách từ cánh nguội hơn tới trục trung hòa [mm]
α, αT
Hệ số giãn nhiệt [1/°C]
χ
Hệ số giảm, không có thứ nguyên
χ min
Hệ số giảm nhỏ nhất, không có thứ nguyên
δT
Độ võng tổng cộng ở giữa chiều dài [mm]
φ
Góc xoay theo trục x
φµ
Góc xoay tại điểm đặt lực P ∝
γ Ml
Hệ số an toàn riêng phần
ηfi
Hệ số giảm tải, không có thứ nguyên
11
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
κy
Hệ số theo công thức (4.7)
κz
Hệ số theo công thức (4.7)
λ
Độ mảnh của tấm, không có thứ nguyên
ν
Hệ số poisson, bằng 0.3 đối với thép, không có thứ nguyên
σcr
Ứng suất uốn dọc đàn hồi tới hạn [N/mm2]
σif
Ứng suất ở cánh nguội hơn của tiết diện C [N/mm2]
σuf
Ứng suất ở cánh nóng hơn của tiết diện C [N/mm2]
σy
Cường độ bền, ứng suất theo trục y [N/mm2]
θa
Nhiệt độ thép [°C]
ξ
Tỷ lệ, không có thứ nguyên
12
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
1.
MỞ ĐẦU
1.1
Tổng quan
Một trong những kết cấu còn nhiều vấn đề cần nghiên cứu đó là các kết cấu
thanh thành mỏng. Trong thực tế, các kết cấu thanh thành mỏng được sử dụng rất
nhiều ví dụ như các khung kèo thép tổ hợp, cấu kiện thép dập nguội, các cầu vồng
bằng kết cấu bê tông cốt thép thành mỏng hỗn hợp… Các ngành vật liệu xây dựng
cũng phát triển mạnh mẽ, các vật liệu cũ như bê tông, thép ngày càng tin cậy hơn,
bên cạnh đó nhiều loại vật liệu mới được nghiên cứu và đưa vào sử dụngvới nhiều
tính chất siêu việt… Vì vậy kết cấu xây dựng ngày càng trở nên thanh mảnh và kinh
tế hơn. Tuy nhiên, ứng xử và đặc trưng của thép thanh thành mỏng khi ở nhiệt độ
cao thì là vấn đề chưa đïc biết rõ. Khả năng làm việc của thép ở nhiệt độ cao có
giới hạn trong thiết kế chống cháy. Vì thế trong điều kiện chống cháy thực tế, kết
cấu thép thanh thành mỏng phải sử dụng một lớp vật liệu bao phủ cách ly tương đối
dầy, vì thế dẫn đến thiết kế không kinh tế và gây lãng phí. Để sử dụng tối đa các
tính năng chịu lực của vật liệu thép cường độ cao trên, cần phải nghiên cứu thêm
về thiết kế thép thanh thành mỏng ở nhiệt độ cao.
Thực tế thiết kế và xây dựng các công trình kết cấu ngày nay ngày càng phát
triển mạnh mẽ. Việc sử dụng kết cấu thép thanh thành mỏng dập nguội ngày nay
đã càng phổ biến ở hầu hết các lónh vực ngành kỹ thuật. Ví dụ, các hệ thống nhà
nhỏ sử dụng thép thanh thành mỏng dập nguội cho hệ thống dầm, cột, mái xà gồ
bao gồm giàn, vì kèo đã phát triển trong suốt những năm gần đây. Thép thanh
thành mỏng dập nguội mang đến sự thiết kế linh hoạt do sử dụng được các tiết diện
khác nhau nhưng có thể đáp ứng đòi hỏi của người thiết kế hơn nữa vì ổn định uốn
dọc cục bộ và địa phương có thể dựa trên những thông tin thu nhận từ việc thí
13
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
nghiệm. Ở nhiệt độ trong phòng, những biến đổi trên được biết khá rõ, và nhiều
nghiên cứu hầu hết đã thực hiện một cách thuận lợi cho việc phát triển kết cấu.
Tuy nhiên, nghiên cứu thực hiện trên kết cấu thép thanh thành mỏng dập
nguội ở nhiệt độ cao chỉ mới gần đây và ứng xử của vật liệu thanh thành mỏng ở
nhiệt độ cao chưa được biết chính xác đầy đủ. Các phương pháp thiết kế thông
thường yêu cầu sử dụng các vật liệu bao phủ chống lửa mắc tiền để bảo vệ kết cấu
thép khỏi sự gia tăng nhiệt độ trong trận hỏa hoạn. Phương pháp đó thật không kinh
tế, không tiết kiệm và thiết kế quá an toàn. Ví dụ, Eurocode 3: Phần 1.2 (1993) chỉ
đưa ra một quy luật chung cho thiết kế tiết diện loại 4 “Class 4”, nhằm chịu ổn định
uốn dọc cục bộ. Tiêu chuẩn thiết kế này thể hiện đơn giản ở chỗ cho rằng sự chịu
lực thỏa mãn các yếu tố trên (bao gồm cả sức chịu kéo) nếu “ ở thời điểm T nhiệt
độ của thép θa không hơn 3500C “.
Tuy nhiên tiêu chuẩn thiết kế này cũng cho phép sự quyết định chịu lửa của
kết cấu dựa trên thí nghiệm và “mô hình tính toán có thử nghiệm”, hoặc kết hợp cả
hai cách trên. Eurocode 3 cũng cho rằng “mô hình tính toán có thử nghiệm trong đó
nguyên tắc thiết kế thực hơn trong các trường hợp cụ thể”, đã đặt nền tảng cho sự
phát triển các phương pháp thiết kế.
1.2
Mục đích – Phạm vi – Giới hạn của luận văn
Mục đích chính của Luận Văn là nghiên cứu phương pháp tính toán dựa trên
tiêu chuẩn Eurocode phát triển từ thép thanh thành mỏng ở nhiệt độ thường đến
nhiệt độ cao được cho bởi Ranby (1999). Mô hình trên có kể đến ảnh hưởng của tác
động cục bộ và tổng thể lên kết cấu thực.
Dựa vào lý thuyết tính toán thép thanh thành mỏng ở nhiệt độ cao đã khảo
sát xây dựng Chương trình NMAX viết bằng ứng dụng ngôn ngữ lập trình VISUAL
14
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
BASIC nhằm tối ưu hóa việc tính toán. Các ví dụ tính toán dựa theo tiêu chuẩn
Eurocode trên được tính toán bằng chương trình NMAX.
Sau đó so sánh với kết quả do Olli Kaitila thực hiện phương pháp Phần Tử Hữu Hạn
phát triển trên “phương pháp Riks” của chương trình tính toán thương mại
ABAQUS cho ra kết quả về chuyển vị, đường cong ảnh hưởng nhiệt độ, ứng suất,
mô hình phá hoại… Phương pháp phần tử hữu hạn tạo nên và phát triển tính toán mô
hình phần tử có khả năng mô tả sự ứng xử của cột thép thanh thành mỏng ở nhiệt
độ cao với độ chính xác chấp nhận được (Olli Kaitila(2002)).
Các kết quả này sử dụng cho mục đích kiểm tra lại việc tính toán theo lý
thuyết và theo các thí nghiệm đã làm. Ngoài ra, ta dựa vào các kết quả thí nghiệm
đã được kiểm chứng, và được đăng lên các tạp chí chuyên ngành để kiểm tra lại và
so sánh với các cách tính toán trên, sau đó rút ra những kết luận cũng như kiến
nghị về đề tài.
1.3
Nội dung chính
Ứng xử và thiết kế của thép thanh thành mỏng ở nhiệt độ cao được trình bày
trong Chương 2, theo các quá trình nghiên cứu thực hiện ở các đại học khác nhau.
Chương 3 đưa ra các thuộc tính về vật liệu của thép ở nhiệt độ cao theo tiêu
chuẩn Eurocode 3: Phần 1.2, và theo các thí nghiệm đã tiến hành ở phòng thí
nghiệm Đại học sau: Helsinki University of Technology Laboratory of Steel
Structures Publications (Outinen, J., Kaitila, O., Mäkeläinen).
Chương 4 khảo sát một phương pháp tính toán của cột thép thanh thành mỏng
ở nhiệt độ cao theo tiêu chuẩn Eurocode mà Ranby (1999) đã phát triển.
Chương 5, 6, 7 là vấn đề nghiên cứu chính của đề tài, đưa ra tính toán ổn
định uốn dọc cục bộ – uốn dọc tổng thể – uốn xoắn ở điều kiện nhiệt độ cao, đồng
15
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
thời so sánh kết quả với kết quả của chương trình tính toán phần tử hữu hạn là
ABAQUS do Olli Kaitila thực hiện, và các kết quả thí nghiệm.
Chương 8 phân tích từ các kết quả đã tính toán, so sánh và rút ra kết luận
cũng như kiến nghị về đề tài.
1.4
Hệ trục tọa độ
Hệ trục tọa độ sử dụng trong tính toán của luận văn theo qui ước tiêu chuẩn
Eurocode3.
Hình 1.1 Hệ trục tọa độ địa phương.
16
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
2.
ỨNG XỬ & THIẾT KẾ THÉP THANH THÀNH MỎNG
Ở NHIỆT ĐỘ CAO
2.1
Yếu tố tiêu biểu
Tổng quan.
Thiết kế chống cháy là một phần tiêu biểu của quá trình thiết kế kết cấu.
Phương pháp thiết kế chống cháy nhằm đảm bảo cho hình dạng của kết cấu được
thiết kế như ở điều kiện nhiệt độ thông thường mà vẫn có thể chịu được sự gia tăng
nhiệt độ gây ra (chẳng hạn như lửa), trong một khoảng thời gian theo yêu cầu đối
với từng loại kết cấu cụ thể. Thiết kế chống cháy có thể thực hiện trên cơ sở tính
toán, sử dụng các bảng dữ liệu, hay sự kết hợp của cả hai cách trên. Kết cấu được
thiết kế có thể chống được lửa bằng các vật liệu chống cháy miễn là các đòi hỏi
của phương pháp thiết kế là phù hợp.
Tiêu chuẩn thông thường cho khả năng chịu lửa của kết cấu thép là thời gian
chống cháy. Thời gian chống cháy là thời gian chịu tải của kết cấu thép từ khi lửa
cháy (khi đó kết cấu còn chịu được tải trọng, làm suy giảm tới độ tải trọng hay độ
võng của kết cấu, trong khoảng giới hạn được đặt ra).
Thiết kế chống cháy còn được sử dụng để kiểm tra khả năng chịu lực của kết
cấu dựa trên nhiệt độ lớn nhất và tải trọng mà kết cấu chịu được trong suốt quá
trình cháy. Kết cấu được phân loại thành nhiều nhóm khác nhau tùy thuộc vào thời
gian chống cháy, ví dụ R15- , R30- , R60- , R90- . Với R : đại diện cho khả năng
chịu nhiệt, số theo sau là thời gian chống cháy (phút).
Mô hình tính toán thông thường của thiết kế chống cháy cho kết cấu thép
được đưa ra trong tiêu chuẩn Eurocode 3: Phần 1.2 (ENV 1993 -1- 2:1995). Các quy
tắc ở đây chỉ giới hạn trong phạm vi tiết diện thép với lý thuyết tính toán tổng thể
17
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
phân tích dẻo, ví dụ: tiết diện loại 1, loại 2. Với hạn chế tương đối thì chúng có thể
sử dụng cho tiết diện loại 3, loại 4.
Đối với thép thanh thành mỏng loại 4, hiện tượng ổn định cục bộ trở nên
quan trọng. Phương pháp thiết kế chính xác hơn không được kể đến trong nguyên
tắc thiết kế, được thận trọng quy định rằng nhiệt độ của thép thanh thành mỏng (
loại 4) không được vượt quá 3500C. trong điều kiện thực tế thì phải sử dụng một lớp
vật liệu bao phủ cách ly tương đối dầy, vì thế dẫn đến thiết kế không kinh tế và
không thẩm mỹ.
Tuy nhiên, tiêu chuẩn Eurocode 3 cho phép sử dụng các mô hình tính toán
tiên tiến hơn, với các mô hình trên có thể thể hiện nhiệt độ tới hạn của kết cấu thép
thanh thành mỏng, ngoại lệ có thể cao hơn 3500C đã được đề cập trước đó.
Hệ số an toàn bằng 1,0 được sử dụng cho tất cả các lực trong các tổ hợp lực
suốt quá trình cháy theo Eurocode 1- (ENV 1991 – 1: 1994).
Các kết cấu sử dụng thép thanh thành mỏng có thể chia theo các loại sau:
-
Tấm thép chịu lực
-
Dầm thép thanh thành mỏng chịu lực (thành dầm thép nhẹ, kết cấu sàn với
thép thanh thành mỏng chịu lực, giàn mái…)
-
Panel lắp ghép với các lõi sợi và phủ thép
-
Giàn Composite (liên hợp) sử dụng thép thanh thành mỏng và các loại kết
cấu bêtông liên hợp khác.
Thiết kế kết cấu thép thanh thành mỏng luôn luôn đòi hỏi kiểm tra của các
ảnh hưởng phụ có khả năng xảy ra để so sánh với thiết kế thép dầm và cột. Cần
thiết phải kiểm tra trong phạm vi biến dạng đàn hồi cho tất cả các kết cấu bao gồm
kiểm tra ứng suất tới hạn không được vượt qua ứng suất bền và kiểm tra khả năng
chống mất ổn định tổng thể khác nhau, bao gồm ổn định uốn, ổn định xoắn, ổn định
18
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
uốn-xoắn, và trong vài trường hợp cần kiểm tra cả ổn định vặn vênh. Thép thanh
thành mỏng loại 4 cần kiểm tra thêm hiện tượng ổn định cục bộ và hiện tượng vặn
vênh.
Để đơn giản hóa thiết kế, hệ số giảm tải nhằm quyết định cấp độ lực trong
thiết kế chống cháy η fi . Hệ số giảm tải phụ thuộc vào tỷ lệ ξ = QK,L / GK
QK,L : tải trọng động quan trọng nhất .
GK
: tải trọng tónh trên kết cấu.
Giá trị η fi thường trong phạm vi 0.6 Ỉ0.65 cho kết cấu thép và kết cấu thép –
bêtông liên hợp (Fortana (1994)).
Sự phân phối nhiệt độ trong kết cấu là rất quan trọng, bởi vì không những do
sự suy biến trong thuộc tính vật liệu ở những vùng bị đốt nóng mà còn do ảnh
hưởng thứ hai gây ở nhiệt độ giãn dài. Trong mô hình thiết kế đơn giản, sự phân
phối nhiệt độ dọc theo tiết diện của từng cấu kiện và dọc theo chiều dài của chúng
phải được giả định. Tuy nhiên, điều đó được cho phép một cách dè dặt hay xem như
thiết kế không đúng cách. Dầm hay cột đươ Proceedings of The Third International Conference
on Thin-Walled Structures, Elsevier.
104
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
Ben Young, Kim. J. R. Rasmussen, (1998), Design of Lipped Chanel Columns,
Journal of Structural Engineering, ASCE, USA, Vol. 124, No. 2, pp 140-163.
Đoàn Định Kiến, (1998), Kết Cấu Thép, Nhà Xuất Bản Khoa Học và Kỹ Thuật.
Lê Văn Quý, Lều Thọ Trình, (1974), Ổn Định-Động Lực Học Công Trình, Nhà
Xuất Bản Đại Học và Trung Học Chuyên Nghiệp.
Nguyễn Văn Yên, Nguyễn Văn Tấn, (1980), Giáo trình Kết Cấu Thép, Trường
Đại Học Xây Dựng Hà Nội.
Đỗ Kiến Quốc, (2000), Lý Thuyết Đàn Hồi, Đại Học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
Steen Krenk, (1998), Lectures On Thin-Walled Beams, Department of Structural
Engineering and Materials, Technical University of Denmark.
John W. Bull, (1989), Finite Element Applications to Thin-walled Structures,
Elsevier Applied Science, London and Newyork.
H. L. Malhotra, (1982), Design of Fire-Resisting Structures, Surrey University
Press.
Các tiêu chuẩn tính toán gồm:
ENV 1993-1-1 (1992) European Committee for Standardization: Eurocode 3:
Design of Steel Structures, Part 1.1: General Rules and Ruler for Buildings.
ENV 1993-1-2 (1993) European Committee for Standardization: Eurocode 3:
Design of Steel Structures, Part 1.2: Structural Fire Design.
ENV 1993-1-3 (1996) European Committee for Standardization: Eurocode 3:
Design of Steel Structures, Part 1.3: supplementary rules for Cold-Formed thin
gauge member and sheeting.
Các chương trình tính toán gồm:
VISUAL BASIC Version 6.0.
105
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
PHỤ LỤC 1
TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH UỐN VÀ ỔN ĐỊNH UỐN-XOẮN VÀ
CƯỜNG ĐỘ TỚI HẠN CỦA TIẾT DIỆN CỘT THÉP
THANH THÀNH MỎNG
THEO CHƯƠNG TRÌNH NMAX
PHỤ LỤC 1 – Trang 1 (22)
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
PHỤ LỤC 1
VÍ DỤ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH UỐN VÀ ỔN ĐỊNH UỐN-XOẮN VÀ
CƯỜNG ĐỘ TỚI HẠN CỦA TIẾT DIỆN CỘT THÉP THANH
THÀNH MỎNG
Trường hợp IV ở bảng 6.4:
Nhiệt độ
- Ở cánh nóng hơn:
T = 500 oC
- Ở giữa thân:
T = 350 oC
- Ở cánh nguội hơn: T = 200 oC
Đơn vị:
- Chiều dài: mm
- Lực: N
- Ứng suất: N/mm2
- Nhiệt độ: oC
Tiết diện C 100x40x15 với bề dày t = 1.0 mm như hình vẽ. Tính toán theo thông số
cho trong chương 4.
Cường độ bền phụ thuộc nhiệt độ được lấy theo giá trị 0.2% biến dạng tổng cộng như
trong bảng 3.2. Giá trị mun đàn hồi được cho trong bảng 3.3.
Đặc trưng tiết diện ngang và vật liệu
b
h:= 100
b:= 40
c:= 15
t:= 1.0
r:= 2.5
c
Ltod:= 2500
L:= 1.Ltod
h
< 5*t
Tính toán giá trị tiết diện ngang thực
T:= 20
α:= 0.34
ν:= 0.3
G :=
A:= t(2b+2c+h)
E:= 210000
E
2(1 + ν )
G:= 80769
A= 210
PHUÏ LUÏC 1 – Trang 2 (22)
fy:= 350
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
2
2
h 3 2.c 3 2.b.t 2
h
h c
I y := t. +
+
+ 2.b. + 2.c. −
12
2
2 2
12 12
Iy= 338090
b2
+ 2.c.b
2
e z :=
ez= 13.333
h + 2.b + 2.c
2
2.b 3 2.c.t 2 h + t 2
b
2
2
I z := t
+
+
+ h.e z + 2.c.(b − e z ) + 2.b. − e z Iz= 53344
12
12
2
12
2.
iy
i y :=
iy= 40.124
A
y o := b.t.
i z :=
iz
A
b + 2.c
b.t
+
. 6.c.h 2 + 3.b.h 2 − 8.c 3
A
12.i y
(
t3
I t := .(h + 2.b + 2.c )
3
2
2
io := i y + i z + y o
)
iz= 15.938
yo = 33.772
It= 70
io= 54.813
2
Tính toán hằng số cong (oằn) theo Column research of Japan (1971):
β :=
b
h
t1 =
c
h
2
γ γ 2
β
+ β −
8
4 3
γ :=
β = 0.4
1 β γ γ2 γ3
+ + −
+
3
24 4 4 2
Ac :=
γ = 0.15
t1= 0.1893
β3
β 2
2
4
β γ
2
γ
2 1
− β 2 . − γ 2 + .γ 3 − t1
+ β . γ − .γ 3 + t1 . + + − γ 2 + .γ 3
6
3
3
3
2
12 2 2
2
Ac = -0.01213957
1 1 β3 γ γ 2 γ3
2
C c := . +
+ −
+
+ t1 .β 2 + t1 .β
6 24 3 4 2
3
l w := | Ac .t.h 5 + C c .t 3 .h 3 |
Cc = 0.02249959
Iw= 1.214×108
Kiểm tra đặc trưng hình học
PHỤ LỤC 1 – Trang 3 (22)
mm6
LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHẢO SÁT THÉP THANH THÀNH MỎNG Ở NHIỆT ĐỘ CAO
b
= 40
t
c
= 0.375
b
h
= 100
t
< 60
< 500
trong khoảng 0,2 – 0,6
Thỏa
Diện tích tiết diện thực (hữu hiệu) chịu nén đúng tâm
(Tính toán theo qui định chung cho trong Eurocode 3: phần 1.3 (1995))
Chiều rộng thân thực
kσ := 4.0
fyb:=fy
(
fyb=350
)
λ p = 2.147
2
h 12. 1 − v . f yb
λ p := .
t
π 2 .E.kσ
0.22
1−
λp
ρ := if λ p < 0.673,1,
λp
heff := ρ .h
heff/2
ρ = 0.418
heff/2
heff =41.802
be1
Chiều rộng cánh thực
kσ := 4
(
)
2
b 12. 1 − v . f yb
λ p := .
t
π 2 .E.kσ
λ p = 0.859
0.22
1−
λp
ρ := if λ p < 0.673,1,
λp
ρ=0.866
beff:=ρ.b
be1:=0.5beff
be2:= 0.5beff
beff=34.644
be2=17.322
Độ cứng chiều rộng thực
0.667
c
c
kσ := if < 0.35,0.5,0.5 + 0.83. − 0.35
d
b
kσ=0.571
PHUÏ LUÏC 1 – Trang 4 (22)
be2
