Những nghiên cứu trước đây
Nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu của Vũ Quốc Anh và cộng sự về "Tính xoắn dầm thép chữ H bằng biểu đồ theo quy phạm Mỹ AISC" năm 2015 chỉ ra rằng tiêu chuẩn Việt Nam hiện chưa có hướng dẫn cụ thể cho việc tính toán dầm chịu xoắn Do đó, việc áp dụng quy trình tính toán theo quy phạm AISC là cần thiết và mang lại ý nghĩa thực tiễn trong thiết kế công trình thép.
Huỳnh Minh Sơn [2] đã có nghiên cứu “So sánh áp dụng tiêu chuẩn
Tiêu chuẩn AISC/ASD (Mỹ) và TCVN 5575-91 (Việt Nam) đều được sử dụng để kiểm tra ổn định cục bộ của dầm thép bản tổ hợp Tuy nhiên, TCVN yêu cầu tính toán ổn định cục bộ nghiêm ngặt hơn, khi chỉ cần một trong hai phần cánh hoặc bụng bị mất ổn định đã được coi là mất bền Ngược lại, theo tiêu chuẩn AISC/ASD, phần bụng oằn có thể bỏ qua, cho phép phân phối lại ứng suất và tăng chiều dày cánh để giảm ứng suất cắt mà không cần phải tăng bề dày của bản bụng hoặc bố trí sườn gia cường.
Lê Văn Duy đã nhấn mạnh trong bài viết "Tính toán dầm thép tiết diện chữ I chịu xoắn theo tiêu chuẩn AISC" rằng việc tính toán ảnh hưởng của xoắn lên cấu kiện thép là rất quan trọng và không thể bỏ qua, đặc biệt trong bối cảnh công trình thép phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam Ông kiến nghị cần sớm đưa bài toán phân tích xoắn vào tiêu chuẩn hoặc cung cấp hướng dẫn tính toán để hỗ trợ các kỹ sư thiết kế.
Trần Thoại [4] đã chỉ ra rằng, theo tiêu chuẩn Eurocode 3, dầm thép tiết diện chữ I không đối xứng khó chế tạo định hình Tuy nhiên, nếu được nghiên cứu và thiết kế hợp lý, loại tiết diện này vẫn có thể trở thành lựa chọn hiệu quả cho dầm đỡ trong các công trình nhà cao tầng.
Báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công nghệ cấp đại học Đà Nẵng của
TS Trần Quang Hưng đã thực hiện nghiên cứu về ổn định tổng thể của dầm thép có tiết diện thay đổi, tập trung vào việc tính toán và phân tích tính ổn định của dầm thép với tiết diện hình chữ Nghiên cứu này đóng góp quan trọng vào lĩnh vực thiết kế và ứng dụng dầm thép trong xây dựng.
Chiều cao tiết diện thay đổi tuyến tính là một hình thức cấu kiện phổ biến trong kết cấu nhà thép công nghiệp và dân dụng Tuy nhiên, việc tính toán thực tế gặp nhiều khó khăn do thiếu quy định cụ thể trong tiêu chuẩn tính toán và tài liệu hướng dẫn Đề tài này trình bày sơ lược phương pháp phần tử hữu hạn, chú trọng vào việc sử dụng phần tử tấm để mô phỏng dầm Các biểu đồ và công thức gần đúng được xây dựng để xác định nhanh mômen giới hạn đàn hồi của dầm tiết diện thay đổi dựa trên dầm có tiết diện không đổi với chiều cao h=hmax Để có dữ liệu đầy đủ hơn, cần thực hiện thêm nhiều tính toán khác Kết quả của đề tài có thể được hoàn thiện để trở thành tài liệu chỉ dẫn thiết kế kết cấu thép cho nhà dân dụng và công nghiệp.
Nghiên cứu nước ngoài
H R Ronagh[9] đã phát triển mô hình gần đúng dùng phươngpháp phần tử hữuhạn để giải bài toán ổn định của dầm tiết diện chữ I có chiềucao thay đổi, trong đó có xét đến lực nén và ảnh hưởng của tỉ sốdiện tích cánh và bụng dầm Tác giả dùng phần tử thanh thuần túynên đơn giản được bài toán nhưng chưa xét đến hết các vấn đề khácliên quan đến cấu tạo tiết diện, vị trí tải trọng
Abdelrahmane Bekaddour Benyamina đã nghiên cứu một cách toàn diện về lời giải giải tích và phương pháp số cho mô hình dầm đơn giản chịu tải phân bố Nghiên cứu này chỉ áp dụng cho loại dầm cụ thể này.
Liliana Marques [11] đã tổng hợp các nghiên cứu và khảo sát số đểđề xuất một số vấn đề khi thiết kế dầm chữ I có tiết diện thay đổi xviii
A Andrade [12] đã khảo sát dầm tiết diện thay đổi trong đó bụngdầm được bố trí các điểm cố kết ngoài mặt phẳng để chống lật Tácgiả đã mô hình các thanh cố kết bằng các liên kết tương đương.
Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu về lý thuyết mất ổn định của dầm thép, tập trung nghiên cứu mất ổn định tổng thế của dầm thép tiết diện chữ I (đối xứng)
- So sánh các quy định về ổn định tổng thể của dầm thép giữa hai tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 và tiêu chuẩn AISC 360-10
Các ví dụ về thiết kế dầm thép chữ I đối xứng cho thấy những điểm yếu trong tính ổn định, từ đó rút ra các kết luận quan trọng để áp dụng vào thực tiễn xây dựng tại Việt Nam Việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của kết cấu sẽ giúp cải thiện thiết kế và tăng cường an toàn cho các công trình.
Phương pháp nghiên cứu
Trong quá trình nghiên cứu, tác giả đã thu thập và tìm hiểu các tài liệu nghiên cứu về mất ổn định tổng thể (Lateral – Torsional Buckling) của dầm tiết diện chữ I, bao gồm tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 và tiêu chuẩn ANSI/AISC 360-10 “Specification for Structural Steel”.
Các tài liệu về "Buildings" và giáo trình lý thuyết mất ổn định, cùng với các bài báo nghiên cứu về thép, sẽ được áp dụng để phục vụ cho nghiên cứu đề tài.
Nội dung luận văn
Luận văn có phần mở đầu và bốn chương gồm:
Nghiên cứu là một yếu tố quan trọng trong việc hiểu và giải quyết các vấn đề xã hội, kinh tế và môi trường Bài viết sẽ tổng quan về các vấn đề nghiên cứu trong và ngoài nước, từ đó xác định mục tiêu và phạm vi nghiên cứu cụ thể Phương pháp nghiên cứu sẽ được trình bày rõ ràng nhằm đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của kết quả.
Chương 1 nghiên cứu lý thuyết tổng quan về ổn định tổng thể kết cấu nhằm có cơ sở để nghiên cứu tiêu chuẩn của các nước
Chương 2 tập trung vào việc so sánh các quy định về tính toán mất ổn định tổng thể của dầm thép tiết diện chữ I (đối xứng) theo hai tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 và AISC 360-10 Nội dung nghiên cứu sẽ làm rõ sự khác biệt và tương đồng giữa tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép trong nước và quốc tế.
Các ví dụ tính toán giữa hai tiêu chuẩn sẽ được trình bày trong Chương 3
Từ đó để có cơ sở rút ra những kết luận và kiến nghị ở Chương 4
LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH KẾT CẤU THÉP
Khái quát về ổn định
Ổn định là khái niệm quan trọng liên quan đến nhiều lĩnh vực trong cuộc sống, bao gồm kỹ thuật, xây dựng và toán học Mỗi lĩnh vực này đều có định nghĩa riêng về ổn định, phù hợp với đối tượng nghiên cứu cụ thể của mình.
Trong nghiên cứu về ổn định tổng thể của dầm thép tiết diện chữ I trong công trình nhà công nghiệp, tác giả sử dụng quan điểm của Euler-Lagrange để tính toán tính ổn định của loại dầm này.
Theo Lều Thọ Trình, ổn định trong lĩnh vực công trình được định nghĩa là khả năng của công trình duy trì vị trí và hình dạng ban đầu khi chịu tác động của các tải trọng.
Dầm thép tiết diện chữ I có tính chất ổn định tổng thể không phải là tuyệt đối; khi tải trọng tác dụng tăng lên, khả năng chịu lực giảm sút và dầm có thể bị biến dạng, hiện tượng này được gọi là không ổn định.
Các dạng mất ổn định
Ổn định có thể được phân loại thành hai trường hợp chính: mất ổn định về vị trí và mất ổn định về dạng cân bằng trong trạng thái biến dạng.
Mất ổn định về vị trí xảy ra khi công trình được coi là cứng tuyệt đối, không thể duy trì vị trí ban đầu và phải chuyển sang vị trí khác Hiện tượng này thường được gọi là mất ổn định lật hoặc trượt, ảnh hưởng đến các cấu trúc như tường chắn, mố cầu, trụ cầu và tháp nước.
Nguyên nhân: Các ngoại lực tác dụng lên công trình không thể cân bằng ở vị trí ban đầu.Qua hiện tượng và nguyên nhân cho thấy:
− Ở vị trí cân bằng ổn định, thế năng của vật thể nghiên cứu là cực tiểu
− Ở vị trí cân bằng không ổn định, thế năng của vật thể nghiên cứu là cực đại
− Ở vị trí cân bằng phím định, thế năng của vật thể nghiên cứu là không đổi
Mất ổn định về dạng cân bằng trong trạng thái biến dạng xảy ra khi dạng biến dạng ban đầu của vật thể không còn phù hợp với tải trọng nhỏ, buộc vật thể phải chuyển sang một dạng biến dạng mới khác Hiện tượng này cũng có thể xảy ra khi biến dạng của vật thể phát triển nhanh mà không xuất hiện dạng biến dạng mới nếu tải trọng đạt đến một giá trị nhất định.
Dựa vào quan niệm của Euler về trạng thái tới hạn có thể chia thành hai loại mất ổn định với các đặc trưng:
Mất ổn định loại một có những đặc trưng nổi bật, bao gồm khả năng phân nhánh thành hai dạng: dạng cân bằng ban đầu và dạng cân bằng lân cận Dạng cân bằng mới phát sinh khác biệt về tính chất so với dạng cân bằng ban đầu Trước khi đạt trạng thái tới hạn, dạng cân bằng ban đầu là duy nhất và ổn định, nhưng sau trạng thái tới hạn, nó trở nên không ổn định Các đặc trưng của dạng mất cân bằng loại một thường xảy ra dưới tác động của nén đúng tâm và uốn phẳng.
Mất ổn định loại hai có các đặc trưng như dạng cón bằng không phân nhỏ nhánh và biến dạng cùng dạng cón bằng của hệ khung thay đổi về tính chất Trong nghiên cứu về tính toán ổn định tổng thể của dầm thép tiết diện chữ I, bài toán của thanh chịu uốn phẳng chủ yếu dựa vào dạng mất ổn định loại một.
1.2.1 Các vấn đề liên quan đến ổn định của dầm Ổn địnhdầm thép: Trong quá trình chịu tải trọng, sự mất ổn định của tiết diện ngang ảnh hưởng lớn đến khả năng kháng moment dẻo của dầm, dẫn đến sự phá hoại, sụp đổ của kết cấu Do đó, trong quá trình thiết kế kết cấu thép cần xét đến sự mất ổn định của dầm dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng bất lợi nhất
1.2.2Mất ổn định cục bộ (Local buckling)
Cánh và bụng dầm tổ hợp là các bản thép mỏng chịu ứng suất nén và ứng suất pháp, có thể dẫn đến hiện tượng mất ổn định cục bộ Khi cánh nén hoặc bản bụng dầm bị vênh, phần mất ổn định này không còn khả năng chịu lực, làm giảm khả năng chịu lực tổng thể của dầm Hệ quả là dầm mất tính đối xứng và tâm uốn thay đổi, có thể dẫn đến mất khả năng chịu lực hoàn toàn.
Hình 1 1 Mất ổn định cục bộ của dầm tiết diện chữ I
1.2.2.1 Mất ổn định cục bộ bản cánh chịu nén
Bản cánh nén có hiện tượng oằn theo phương đứng dọc tại biên tự do, đồng thời một phần bản bụng cũng bị oằn ngang, dẫn đến toàn bộ bản cánh nén bị oằn theo phương đứng Bản cánh nén của dầm chịu ứng suất nén đều trên tiết diện vuông góc với cạnh dài của bản, và liên kết giữa cánh và bụng dầm được xem là liên kết khớp Mất ổn định của bản cánh nén xảy ra khi biên tự do của bản vênh ra ngoài mặt phẳng, tạo thành sóng.
Nguyên nhân của hiện tượng này là do bản cánh và bản bụng dầm tổ hợp có độ dày nhỏ hơn nhiều so với chiều rộng và chiều cao của chúng (tf
