Khung nhà công nghiệp một tầng bằng thép có cầu trục được thiết kế chịu tải trọng động đất và gió

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE 2019. 13 (5V): 9–19
KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG BẰNG THÉP CÓ CẦU
TRỤC ĐƯỢC THIẾT KẾ CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT VÀ GIÓ
Đinh Văn Thuậta,∗, Nguyễn Đình Hòaa, Hồ Viết Chươngb, Trịnh Duy Khánha
aKhoa Xây dựng dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng,
số 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam
bTrường Đại học Vinh, 182 Lê Duẩn, Thành phố Vinh, Nghệ An, Việt Nam
Nhận ngày 29/08/2019, Sửa xong 11/09/2019, Chấp nhận đăng 11/09/2019
Tóm tắt
Trong bài báo này, tám khung nhà công nghiệp một tầng, một nhịp bằng thép có cầu trục được khảo sát với các
thông số về nhịp khung là 20, 26, 32 và 38 m; sức trục là 100 và 200 kN và được xây dựng ở khu vực Hà Nội
và Sơn La. Các trường hợp tải trọng được sử dụng để thiết kế khung gồm tĩnh tải, hoạt tải sửa chữa mái, tải cầu
trục, tải trọng gió thổi ngang và dọc nhà, tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo phương ngang và
đứng. Các trường hợp tổ hợp nội lực được xác định tương ứng với các hệ số tổ hợp khi xét trường hợp tải trọng
động đất có ảnh hưởng chính, tải trọng gió có ảnh hưởng chính và tải trọng gió có ảnh hưởng tương tự như các
hoạt tải khác. Kết quả tổ hợp mô men uốn ở chân cột và đỉnh cột do tải trọng động đất có xu hướng lớn hơn so
với do tải trọng gió khi nhịp khung tăng, đặc biệt đối với trường hợp khung ở khu vực Sơn La có động đất mạnh
và gió yếu. Trọng lượng của cột và dầm khung được thiết kế chịu tải trọng động đất là lớn hơn đáng kể so với
chịu tải trọng gió, phụ thuộc vào chiều dài nhịp khung và độ lớn tương đối của động đất so với gió.
Từ khoá: nhà công nghiệp một tầng; khung thép; chiều dài nhịp; tải trọng động đất; tải trọng gió; tổ hợp nội
lực; hệ số tổ hợp nội lực.
SINGLE-STOREY INDUSTRIAL STEEL BUILDING FRAMES WITH CRANES DESIGNED TO WITH-
STAND STATIC EARTHQUAKE AND WIND LOADS
Abstract
In this paper, eights one-span single-storey industrial steel building frames with cranes were investigated with
the parameters on frame spans of 20, 26, 32 and 38 m; crane capacities of 100 and 200 kN and construction
locations in Hanoi and Son La regions. Load cases to be used for design of the frames included dead loads,
roof live loads, crane loads, horizontal and longitudinal wind loads, and equivalent horizontal and vertical
static earthquake loads. Numerous cases of internal force combination were defined in accordance with the
combination coefficients when considering that the earthquake load had a major influence, the wind load had a
major influence and the wind load had the same effect as the other live load activities. As a result, the bending
moments at the bottom and top of the column combined due to the earthquake load tended to be larger than
those combined due to the wind load when the span of the frame increases, especially for the case of frames
constructed in the Son La region with strong earthquakes and weak winds. In addition, the weights of the frame
columns and beams designed to withstand the earthquake loads were considerably greater than those designed
to the wind loads, depending on the span lengths and relative magnitudes of the earthquakes against winds.
Keywords: single-storey industrial buildings; steel frames; span lengths; earthquake loads; wind loads; internal
force combination; combination coefficients.
https://doi.org/10.31814/stce.nuce2019-13(5V)-02 c© 2019 Trường Đại học Xây dựng (NUCE)
∗Tác giả chính. Địa chỉ e-mail: thuatvandinh@gmail.com (Thuật, Đ. V.)
9
Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
1. Mở đầu
Kết cấu khung nhà công nghiệp một tầng bằng thép có cầu trục được yêu cầu thiết kế chịu các loại
tải trọng gồm: tĩnh tải, hoạt tải sửa chữa mái, tải cầu trục, gió theo phương ngang và dọc nhà, động đất
tác dụng theo phương ngang và đứng [1–5]. Kết cấu loại này có đặc điểm là mặc dù chiều cao tổng
thể của khung thấp nhưng chiều cao của cột và chiều dài của nhịp khung đều lớn, tải trọng từ cầu trục
được truyền đến vai cột thông qua dầm đỡ cầu trục và có giá trị lớn hơn nhiều so với tải trọng từ mái
[6–8]. Kết cấu khung như vậy được coi là loại kết cấu không đều đặn theo phương đứng về sơ đồ kết
cấu và tải trọng tác dụng [2–5]. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng kết cấu khung nhà công nghiệp một
tầng bằng thép được xây dựng ở một số vùng của Việt Nam cần được tính toán thiết kế chịu động đất,
đặc biệt ở những vùng có động đất mạnh nhưng tải trọng gió nhỏ, như ở những vùng Tây Bắc [6–8].
Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cũng đã chỉ ra ảnh hưởng của động đất tác dụng theo phương đứng là
đáng kể và cần được kể đến trong tính toán thiết kế khung [8].
Quan điểm thiết kế kháng chấn kết cấu công trình nhà được chấp nhận thực hiện theo hai giai
đoạn [1–5, 8]. Trong giai đoạn thiết kế thứ nhất, phương pháp phân tích kết cấu không phá hoại dưới
tác dụng của tải trọng động đất tĩnh tương đương được sử dụng. So với tải trọng động đất thực tế tác
dụng lên kết cấu khi giả thiết kết cấu làm việc đàn hồi tuyến tính thì tải trọng động đất sử dụng trong
thiết kế ở giai đoạn này đã được lấy giảm đi đáng kể bằng cách, chẳng hạn, chia cho hệ số ứng xử
được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế [2, 3]. Tiếp theo, trong giai đoạn thiết kế thứ hai, phương pháp
phân tích kết cấu phi tuyến theo vật liệu được sử dụng để đánh giá khả năng chịu lực và khả năng biến
dạng dẻo của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động đất tĩnh tăng dần hoặc dưới tác dụng của các
băng gia tốc nền [9–12].
Trong bài báo này, các khung nhà công nghiệp một tầng bằng thép có cầu trục được trình bày ở
[8] tiếp tục được sử dụng để khảo sát với các số liệu gồm sơ đồ khung có nhịp 20, 26, 32 và 38 m; sức
trục 100 và 200 kN; địa điểm xây dựng ở Hà Nội và Sơn La. Các khung được tính toán thiết kế trong
giai đoạn thứ nhất để đủ chịu được các trường hợp tổ hợp nội lực nguy hiểm do tải trọng động đất và
gió gây ra. Kết quả tính đã chỉ ra rằng trong một số trường hợp tiết diện của cột và dầm khung khi
được thiết kế chịu động đất là lớn hơn đáng kể so với khi được thiết kế chịu tải trọng gió, phụ thuộc
vào chiều dài nhịp khung và độ lớn tương đối của động đất so với gió.
2. Các khung khảo sát, tải trọng tác dụng và kết quả nội lực
Các thông số để thiết kế khung nhà công nghiệp một tầng một nhịp bằng thép có cầu trục được
sử dụng để khảo sát trong bài báo này là giống như trong [8], được ký hiệu là H-20-100, H-26-100,
H-32-100 và H-38-100 tương ứng với khu vực Hà Nội có động đất và gió đều mạnh; và S-20-200,
S-26-200, S-32-200 và S-38-200 tương ứng với khu vực Sơn La có động đất rất mạnh nhưng gió yếu.
Ví dụ, ký hiệu khung H-20-100 có nghĩa là nhịp khung 20 m, sức trục 100 kN và được xây dựng ở
khu vực Hà Nội.
Việc xác định các loại tải trọng tác dụng lên khung được trình bày ở [8], bao gồm tĩnh tải, hoạt tải
sửa chữa mái, tải cầu trục, tải gió thổi ngang và dọc nhà, tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng
theo phương ngang và đứng [1–3, 13]. Trong bài báo này, tiết diện của cột và dầm khung sẽ được xác
định lại như trình bày ở Bảng 8, do vậy tĩnh tải và tải trọng động đất tĩnh tương đương có giá trị thay
đổi so với [8]. Lý do là vì khi tiết diện của cột và dầm khung tăng lên thì trọng lượng và độ cứng của
khung tăng, chu kỳ dao động riêng giảm và hình dạng biên độ dao động thay đổi.
Nội lực trong khung do từng trường hợp tải trọng tác dụng được xác định từ kết quả phân tích kết
cấu với giả thiết vật liệu làm việc đàn hồi tuyến tính và sử dụng phần mềm SAP, trong đó liên kết ở
10
Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
4 
mái. Điều này ảnh hưởng đến kết quả tổ hợp nội lực do tải trọng gió sẽ được trình bày ở mục tiếp 
theo. 
a. Tĩnh tải b. Hoạt tải chất nửa trái 
c. Dmax ở cột trái, Dmin ở cột phải d. Tmax ở cột trái 
 e. Tải gió ngang thổi từ trái f. Tải gió thổi dọc 
(a) Tĩnh tải
4 
mái. Điều này ảnh hưởng đến kết quả tổ hợp nội lực do tải trọng gió sẽ được trình bày ở mục tiếp 
theo. 
a. Tĩnh tải b. Hoạt tải chất nửa trái 
c. Dmax ở cột trái, Dmin ở cột phải d. Tmax ở cột trái 
 e. Tải gió ngang thổi từ trái f. Tải gió thổi dọc 
(b) Hoạt tải chất nửa trái
4 
mái. Điều này ảnh hưởng đến kết quả tổ hợp nội lực do tải trọng gió sẽ được trình bày ở mục tiếp 
theo. 
a. Tĩnh tải b. Hoạt tải chất nửa trái 
c. Dmax ở cột trái, Dmin ở cột phải d. Tmax ở cột trái 
 . i i t ổi từ trái f. Tải gió thổi dọc 
(c) Dmax ở cột trái, Dmin ở cột phải
4 
mái. Điều này ảnh hưởng đến kết quả tổ hợp nội lực do tải trọng gió sẽ được trình bày ở mục tiếp 
theo. 
a. Tĩnh tải b. Hoạt tải chất nửa trái 
c. Dmax ở cột trái, Dmin ở cột phải d. Tmax ở cột trái 
 e. Tải gió ngang thổi từ trái f. Tải gió thổi dọc 
(d) Tmax ở cột trái
4 
mái. Điều này ảnh hưởng đến kết quả tổ hợp nội lực do tải trọng gió sẽ được trình bày ở mục tiếp 
theo. 
a. Tĩnh tải b. Hoạt tải chất nửa trái 
c. Dmax ở cột trái, Dmin ở cột phải d. Tmax ở cột trái 
 e. Tải gió ngang thổi từ trái f. Tải gió thổi dọc (e) Tải gió ngang thổi từ trái
4 
mái. Điều này ảnh hưởng đến kết quả tổ hợp nội lực do tải trọng gió sẽ được trình bày ở mục tiếp 
theo. 
a. Tĩnh tải b. Hoạt tải chất nửa trái 
c. Dmax ở cột trái, Dmin ở cột phải d. Tmax ở cột trái 
 e. Tải gió ngang thổ từ trái f. Tải g ó thổi dọc (f) Tải gió thổi dọc
5 
 g. Tải động đất ngang từ trái h. Tải động đất đứng từ dưới lên 
Hình 1. Biểu đồ mô men uốn trong khung H-20-100 do các trường hợp tải trọng (kNm) 
3. Tổ hợp nội lực và xác định tiết diện của cột và dầm khung 
3.1 Các trường hợp tổ hợp và hệ số tổ hợp nội lực 
Với mục đích so sánh tác động do tải trọng động đất với tải trọng gió, trong bài báo này 
chỉ xét những trường hợp tổ hợp mà trong đó có tải trọng động đất tác dụng đồng thời theo 
phương ngang và đứng, hoặc có tải trọng gió thổi theo phương ngang hoặc phương dọc nhà. Các 
hệ số tổ hợp nội lực tương ứng với hai trường hợp tải trọng này được lấy giống nhau. Trong thực 
tế thiết kế, số lượng tổ hợp còn nhiều hơn, chẳng hạn xét đến những tổ hợp chỉ do tĩnh tải với 
hoạt tải mái và tải cầu trục. 
Quan điểm thiết kế kháng chấn đã cho thấy tải trọng động đất được phân loại là tải đặc 
biệt và dưới tác dụng của tải trọng động đất lớn nhất có thể xảy ra, kết cấu công trình được thiết 
kế cho phép hình thành biến dạng dẻo nhưng không cho phép sụp đổ [1-5]. Trong khi đó, dưới 
tác dụng của tải trọng gió cũng như của các tải trọng thông thường khác, kết cấu công trình bằng 
thép được thiết kế với yêu cầu ứng xử trong giới hạn đàn hồi tuyến tính. Do vậy, tác dụng của tải 
trọng động đất thường được xét có ảnh hưởng chính, có nghĩa là hệ số tổ hợp nội lực tương ứng 
với tải trọng động đất được lấy bằng 1,0. Bên cạnh đó, các hệ số tổ hợp nội lực tương ứng với 
các hoạt tải khác khi tổ hợp với tải trọng động đất sẽ có giá trị nhỏ hơn tùy theo mức độ ảnh 
hưởng của nó được xét, chẳng hạn được lấy bằng 0,8 và 0,6 [1]. Đối với tác dụng của tải trọng 
gió thì ảnh hưởng của nó có thể được xét là chính với hệ số tổ hợp nội lực được lấy bằng 1,0 như 
trường hợp tải trọng động đất, hoặc cũng có thể được xét có ảnh hưởng giống như những hoạt tải 
khác với các hệ số tổ hợp nội lực được lấy bằng nhau, chẳng hạn được lấy bằng 0,9 [1]. 
Bảng 1 trình bày 10 trường hợp tổ hợp nội lực trong khung do tải trọng động đất tĩnh 
ngang và đứng tương đương tác dụng đồng thời, được ký hiệu CE1, CE10, trong đó ký hiệu 
Dmax và Dmin là tải trọng cầu trục lớn nhất và nhỏ nhất tác dụng theo phương đứng lên hai vai cột; 
và Tmax là lực xô ngang lớn nhất từ cầu trục tác dụng ở cao trình mặt trên của dầm đỡ cầu trục. 
Hệ số tổ hợp nội lực do tải trọng động đất tác dụng đồng thời theo phương ngang và đứng lần 
lượt là 1,0 và 0,3 hoặc ngược lại là 0,3 và 1,0 [2, 3]. Trong nghiên cứu này, với mục đích so sánh, 
(g) Tải động đất ngang từ trái
5 
 g. Tải động đất ngang từ trái h. Tải ộ đất đứng từ dưới lên 
Hình 1. Biểu đồ mô me uốn trong khung H-20-100 do các trường hợp tải trọng (kNm) 
3. Tổ hợp nội lực và xác định tiết diện của cột và dầm khung 
3.1 Các trường hợp tổ hợp và hệ số tổ hợp nội lực 
Với mục đích so sánh tác động do tải trọng động đất với tải trọng gió, trong bài báo này 
chỉ xét những trường hợp tổ hợp mà trong đó có tải trọng động đất tác dụng đồng thời theo 
phương nga và đứng, hoặc có tải trọng gió thổi theo phương ngang hoặc phương dọ nhà. Các 
ệ số tổ hợp nội lực tương ứng với hai trường hợp tải trọng nà được lấy giống hau. Trong thực 
t thiết kế, số lư ng tổ hợp còn hiều hơn, chẳng hạn xét đến những tổ hợp chỉ do tĩnh tải với 
hoạt tải mái và tải cầu trục. 
Quan điểm t iết kế kháng c ấn đã cho thấy tải trọng ộng đất được phân loại là tải đặc 
biệt và dưới tác dụng của tải trọng động đất lớn nhất có thể xảy ra, kết cấu công trình được thiết 
kế cho phép hình thành biến dạng dẻo nhưng không cho phép sụp đổ [1-5]. Trong khi đó, dưới 
tác dụng của tải trọng gió cũng như của các tải trọng thông thường khác, kết cấu công trình bằng 
thép được thiết kế với yêu cầu ứng xử trong giới hạn đàn hồi tuyến tính. Do vậy, tác dụng của tải 
trọng động đất thường được xét có ảnh hưởng chính, có nghĩa là hệ số tổ hợp nội lực tương ứng 
với tải trọng động đất được lấy bằng 1,0. Bên cạnh đó, các hệ số tổ hợp nội lực tương ứng với 
các hoạt tải khác khi tổ hợp với tải trọng động đất sẽ có giá trị nhỏ hơn tùy theo mức độ ảnh 
hưởng của nó được xét, chẳng hạn được lấy bằng 0,8 và 0,6 [1]. Đối với tác dụng của tải trọng 
gió thì ảnh hưởng của nó có thể được xét là chính với hệ số tổ hợp nội lực được lấy bằng 1,0 như 
trường hợp tải trọng động đất, hoặc cũng có thể được xét có ảnh hưởng giống như những hoạt tải 
khác với các hệ số tổ hợp nội lực được lấy bằng nhau, chẳng hạn được lấy bằng 0,9 [1]. 
Bảng 1 trình bày 10 trường hợp tổ hợp nội lực trong khung do tải trọng động đất tĩnh 
ngang và đứng tương đương tác dụng đồng thời, được ký hiệu CE1, CE10, trong đó ký hiệu 
Dmax và Dmin là tải trọng cầu trục lớn nhất và nhỏ nhất tác dụng theo phương đứng lên hai vai cột; 
và Tmax là lực xô ngang lớn nhất từ cầu trục tác dụng ở cao trình mặt trên của dầm đỡ cầu trục. 
Hệ số tổ hợp nội lực do tải trọng động đất tác dụng đồng thời theo phương ngang và đứng lần 
lượt là 1,0 và 0,3 hoặc ngược lại là 0,3 và 1,0 [2, 3]. Trong nghiên cứu này, với mục đích so sánh, 
(h) Tải động đất đứng từ dưới lên
Hình 1. Biểu đồ mô men uốn trong khung H-20-100 do các trường hợp tải trọng (kNm)
11
Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
chân cột được coi là ngàm, liên kết ở đỉnh cột với dầm mái được coi là cứng và mô đun đàn hồi của
thép là 2,1× 105 N/mm2. Tải trọng động đất khi tác dụng theo phương ngang có thể từ bên trái khung
hoặc ngược lại, và khi tác dụng theo phương đứng có thể từ trên xuống hoặc từ dưới lên trên. Tương
tự, đối với tải trọng gió tác dụng theo phương ngang có thể từ bên trái sang hoặc ngược lại. Đối với
tải cầu trục, Dmax có thể đặt ở cột trái và Dmin đặt ở cột phải hoặc ngược lại; Tmax có thể tác dụng ở
cột trái hoặc cột phải, theo 2 chiều từ bên trái hoặc ngược lại [14–16].
Hình 1 minh họa kết quả biểu đồ mô men uốn được phân tích cho khung H-20-100 dưới tác dụng
của các trường hợp tải trọng được xem xét. Tiết diện của cột và dầm khung được trình bày ở Bảng 8.
Các trường hợp khung chịu tĩnh tải, hoạt tải chất đều trên mái, gió th ... = M1CW/M
2
CW và kE = M
1
CE/M
2
CW (1)
trong đó M1CW = max {MCW1; ...;MCW10} là giá trị mô men lớn nhất trong số 10 tổ hợp CW1, . . . ,
CW10 do tải trọng gió khi được xét có ảnh hưởng chính; M2CW = max {MCW11; ...;MCW16} là giá trị
mô men lớn nhất trong số 6 tổ hợp CW11, . . . , CW16 do tải trọng gió khi được xét có ảnh hưởng
14
Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
Bảng 5. Giá trị mô men lớn nhất và lực dọc tương ứng trong số 10 tổ hợp CW1, CW2, . . . , CW10
do tải trọng gió khi được xét có ảnh hưởng chính (kNm, kN)
Khung
Tại chân cột Tại đỉnh cột Tại đoạn giữa dầm
Mô men Lực dọc Mô men Lực dọc Mô men Lực dọc
H-20-100 −237,47 −96,74 116,23 −29,93 −39,11 −31,36
H-26-100 −294,93 −111,19 168,13 −38,22 −55,76 −45,73
H-32-100 −390,46 −138,36 238,25 −46,47 −64,32 −63,73
H-38-100 −508,33 −159,19 314,66 −55,65 −83,91 −85,06
S-20-200 −242,75 −138,35 132,56 −45,56 −43,62 −42,35
S-26-200 −323,44 −151,84 187,16 −52,66 −52,66 −54,23
S-32-200 −426,55 −171,68 302,72 −62,77 −70,86 −81,71
S-38-200 −561,94 −195,88 396,60 −74,93 −89,58 −107,76
Bảng 6. Nội lực lớn nhất trong số 6 tổ hợp CW11, CW12, . . . , CW16 do tải trọng gió
khi được xét có ảnh hưởng như các hoạt tải khác (kNm, kN)
Khung
Tại chân cột Tại đỉnh cột Tại đoạn giữa dầm
Mô men Lực dọc Mô men Lực dọc Mô men Lực dọc
H-20-100 −249,66 −110,51 130,07 −34,94 −40,20 −37,93
H-26-100 −316,17 −136,18 187,81 −44,54 −58,30 −53,62
H-32-100 −419,00 −172,51 266,99 −53,98 −66,79 −73,29
H-38-100 −542,88 −199,40 353,14 −64,19 −85,13 −97,39
S-20-200 −263,75 −153,06 158,58 −53,64 −45,88 −49,48
S-26-200 −356,34 −171,61 205,72 −53,36 −57,40 −64,20
S-32-200 −475,54 −210,76 329,38 −69,32 −76,69 −93,83
S-38-200 −612,90 −239,93 428,64 −81,87 −93,37 −121,06
tương tự với các hoạt tải khác; M1CE = max {MCE1; ...;MCE10} là giá trị mô men lớn nhất trong số 10
tổ hợp CE1, . . . , CE10 do tải trọng động đất; MCW1, . . . ,MCW16 là mô men uốn tương ứng với tổ hợp
CW1, . . . , CW16; và MCE1, . . . ,MCE10 là mô men uốn tương ứng với tổ hợp CE1, . . . , CE10.
Bảng 7 chỉ ra kết quả nhận được của các tỷ số kW1, kW2 và kW3 tương ứng với vị trí tại chân cột,
đỉnh cột và ở đoạn giữa dầm của các khung được khảo sát. Kết quả đã chỉ ra rằng giá trị nội lực được
tổ hợp khi xét tải trọng gió có ảnh hưởng chính (Bảng 2) là nhỏ hơn khi xét tải trọng gió có ảnh hưởng
tương tự như các hoạt tải khác (Bảng 3), cụ thể bằng khoảng 90 đến 95% ở chân cột, 84 đến 94% ở
đỉnh cột và 92 đến 99% ở đoạn giữa dầm. Như vậy có thể nói rằng đối với các khung nhà công nghiệp
một tầng được khảo sát thì tổ hợp nội lực khi tải trọng gió được xét có ảnh hưởng tương tự như các
hoạt tải khác là nguy hiểm hơn khi được xét có ảnh hưởng chính.
Đồng thời, Bảng 7 chỉ ra kết quả nhận được của các tỷ số kE1, kE2 và kE3 tương ứng với vị trí
tại chân cột, đỉnh cột và ở đoạn giữa dầm cho các khung được khảo sát. Giá trị mô men uốn do tải
trọng động đất nhìn chung là lớn hơn do tải trọng gió, trừ trường hợp ở chân cột khung H-20-100 và
ở đoạn giữa dầm khung H-20-100 và H-26-100. Các tỷ số này có xu hương tăng theo chiều dài của
nhịp khung, cụ thể ở vị trí chân cột có giá trị trong khoảng 0,92 đến 1,21 đối với các khung ở Hà Nội
15
Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
Bảng 7. Tỷ số so sánh kết quả tổ hợp nội lực do động đất và gió
Khung
Giữa tổ hợp khác nhau do gió Giữa tổ hợp động đất và gió
kW1 kW2 kW3 KE1 KE2 KE3
H-20-100 0,95 0,89 0,97 0,92 1,64 0,88
H-26-100 0,93 0,90 0,96 1,05 1,71 0,85
H-32-100 0,93 0,89 0,96 1,13 1,70 1,07
H-38-100 0,94 0,89 0,99 1,21 1,72 1,23
S-20-200 0,92 0,84 0,95 1,50 2,02 1,33
S-26-200 0,91 0,91 0,92 1,56 2,00 1,61
S-32-200 0,90 0,92 0,92 1,55 1,91 1,73
S-38-200 0,92 0,93 0,96 1,49 1,86 1,86
và 1,5 đến 1,56 đối với các khung ở Sơn La. Điều này có nghĩa là ảnh hưởng của tải trọng động đất
trong khung nhà công nghiệp một tầng bằng thép có cầu trục là lớn hơn đáng kể so với tải trọng gió,
phụ thuộc vào chiều dài nhịp khung và độ lớn tương đối của động đất so với gió. Lưu ý trong thực tế
nếu tổ hợp nội lực khi tải trọng động đất được xét có ảnh hưởng tương tự như các hoạt tải khác thì sẽ
cho kết quả nguy hiểm hơn trường hợp khi được xét có ảnh hưởng chính, do vậy các tỷ số kE1, kE2 và
kE3 ở Bảng 7 sẽ có giá trị lớn hơn.
3.3. Xác định tiết diện của cột và dầm khung chịu động đất
Tiết diện của cột và dầm khung được thiết kế để đủ chịu được các tổ hợp nội lực CE1, . . . CE10
do tải trọng động đất như đã chỉ ra ở Bảng 1, trong đó kết cấu được giả thiết ứng xử đàn hồi tuyến
tính về vật liệu dưới tác dụng của các loại tải trọng, bao gồm cả tải trọng động đất tĩnh tương đương
tác dụng đồng thời theo phương ngang và đứng. Bảng 8 chỉ ra kết quả xác định tiết diện của cột và
dầm khung khi chịu tải trọng động đất, trong đó phần bôi đậm thể hiện tiết diện tăng lên so với trường
hợp được xác định khi chịu tải trọng gió như đã trình bày trong [8]. Kết quả cho thấy hai trường hợp
khung H-20-100 và H-26-10 có tiết diện được xác định khi chịu tải trọng gió là lớn hơn khi chịu tải
trọng động đất.
Việc kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện cột và dầm khung được thực hiện đảm bảo các điều
kiện về ổn định tổng thể của cột theo phương trong và ngoài mặt phẳng khung; bền chịu mô men
uốn, lực cắt và lực dọc trục; ổn định cục bộ của các bản thép; chuyển vị ngang ở đỉnh cột và đứng
ở giữa dầm mái [14–17]. Đối với khung nhà công nghiệp một tầng bằng thép, chuyển vị ngang cho
phép ở đỉnh cột là 1/300 chiều cao của cột và chuyển vị đứng cho phép ở giữa dầm mái là 1/250 nhịp
dầm. Cường độ tính toán của vật liệu thép là 210 N/mm2. Thanh chống cột khung theo phương dọc
nhà được đặt ở cao trình 3,7 m tính từ mặt móng. Kết quả tính kiểm tra cho thấy tiết diện cột và dầm
khung chủ yếu được xác định theo điều kiện về chuyển vị, với yêu cầu phải nhỏ hơn trong phạm vi
5% so với giá trị cho phép. Bề dày bản bụng được chọn đảm bảo điều kiện ổn định cục bộ và cấu tạo.
Bảng 9 chỉ ra kết quả chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột và chuyển vị đứng ở giữa dầm mái khi
chịu động đất, trong đó chuyển vị lớn nhất ở đỉnh cột nhỏ hơn chuyển vị cho phép từ 0,05 đến 4,73%,
trừ trường hợp khung H-20-100 và H-26-100 có tiết diện được xác định theo điều kiện chịu tải trọng
gió nên chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột khi chịu động đất nhỏ hơn chuyển vị cho phép tương ứng
là 11,8 và 11,54%.
16
Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
Bảng 8. Tiết diện của cột và dầm khung được xác định đủ chịu 10 tổ hợp nội lực CE1, . . . , CE10
do tải trọng động đất (mm)
Khung Bản cánh cột Bản bụng cột Bản cánh dầm
Bản bụng dầm
Tại đầu dầm Tại khoảng giữa dầm
H-20-100 300 × 10 550 × 10 300 × 10 480 × 8 300 × 8
H-26-100 300 × 10 650 × 10 300 × 10 650 × 8 400 × 8
H-32-100 300 × 10 720 × 10 300 × 10 600 × 8 470 × 8
H-38-100 300 × 12 760 × 12 300 × 12 670 × 10 480 × 10
S-20-200 300 × 12 680 × 10 300 × 10 500 × 8 350 × 8
S-26-200 300 × 14 780 × 12 300 × 10 580 × 8 380 × 8
S-32-200 300 × 14 820 × 14 300 × 12 660 × 10 450 × 10
S-38-200 300 × 16 880 × 14 300 × 14 700 × 12 450 × 12
Bảng 9. Chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột và chuyển đứng lớn nhất ở giữa dầm
chịu 10 tổ hợp nội lực CE1, . . . , CE10 do tải trọng động đất (mm)
Khung
Chuyển vị ngang ở đỉnh cột Chuyển vị đứng ở giữa dầm
Lớn nhất Cho phép Lớn nhất Cho phép
H-20-100 27,49 31,17 51,28 77,72
H-26-100 27,57 31,17 69,93 101,32
H-32-100 30,17 31,67 121,24 125,04
H-38-100 31,66 31,80 128,95 148,86
S-20-200 31,15 31,17 59,02 77,18
S-26-200 31,17 31,17 87,84 100,77
S-32-200 30,90 31,67 127,96 124,61
S-38-200 31,70 31,80 135,94 148,35
Bảng 10 trình bày kết quả kiểm tra ổn định tổng thể của cột theo phương trong và ngoài mặt phẳng
khung và kiểm tra bền chịu nén uốn, trong đó M và N là cặp mô men uốn và lực dọc trục nguy hiểm
nhất. Kết quả cho thấy ứng suất pháp σ tronng cột là khá nhỏ so với cường độ tính toán của thép, cụ
thể trong khoảng 35 đến 50% theo ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung; 50 đến 72% theo ổn định
tổng thể trong mặt phẳng khung; và 56 đến 87% theo bền chịu nén uốn. Kết quả tính cho thấy ứng suất
theo bền chịu nén uốn là lớn hơn khoảng 1,15 đến 1,22 lần ứng suất theo ổn định tổng thể trong mặt
phẳng khung. Điều này có nghĩa là tiết tiết diện cột của các khung được khảo sát khi chịu động đất
được quyết định bởi các điều kiện về chuyển vị ngang, ổn định cục bộ của bản thép cột và có thể về
bền chịu nén uốn, không phụ thuộc vào điều kiện ổn định tổng thể trong và ngoài mặt phẳng khung.
Bảng 11 chỉ ra kết quả trọng lượng của cột và dầm khung được thiết kế chịu các tổ hợp nội lực do
tải trọng động đất với tiết diện được trình bày ở Bảng 8 và do tải trọng gió với tiết diện được trình bày
ở [8]. Trọng lượng này chưa kể đến các chi tiết liên kết và gia cường của cột và dầm. Trong Bảng 11,
tỷ lệ được xác định bằng trọng lượng của cột hoặc dầm do tải trọng động đất chia tương ứng cho trọng
lượng do tải trọng gió. Đối với khung H-20-100 và H-26-100, tiết diện của cột và dầm được quyết
định bởi tải trọng gió nên tỷ lệ này có giá trị là 1,0. Đối với các khung khác, tiết diện của cột và dầm
17
Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
Bảng 10. Kết quả kiểm tra ổn định tổng thể của cột khung từ 10 tổ hợp CE1, . . . , CE10 do tải trọng động đất
Khung
Ổn định trong mặt phẳng Ổn định ngoài mặt phẳng Bền chịu nén
uốn σ (N/mm2)M (kNm) N (kN) σ (N/mm2) M (kNm) N (kN) σ (N/mm2)
H-20-100 230,62 122,00 102,84 121,57 122,00 72,84 118,52
H-26-100 331,36 143,66 117,15 176,53 143,66 83,17 137,30
H-32-100 475,09 176,80 142,62 252,88 176,80 101,71 171,70
H-38-100 658,10 205,53 152,02 355,21 205,53 105,42 183,23
S-20-200 394,87 154,68 113,34 222,93 154,68 82,60 134,70
S-26-200 556,08 179,59 112,62 339,63 179,59 85,84 135,02
S-32-200 735,29 219,41 130,61 426,42 219,41 97,22 159,21
S-38-200 970,90 234,54 142,43 562,59 234,54 104,48 173,35
được quyết định bởi tải trọng động đất và kết quả cho thấy trong trường hợp này trọng lượng của cột
là lớn hơn khoảng 1,03 đến 1,57 lần so với trường hợp khi được xác định chịu tải trọng gió. Tỷ lệ này
có xu hướng phụ thuộc vào chiều dài của nhịp khung vì do có xét đến ảnh hưởng của động đất tác
dụng theo phương đứng [8].
4. Kết luận
Trong bài báo này, tám khung nhà công nghiệp một tầng, một nhịp bằng thép có cầu trục được
thiết kế chịu tải trọng động đất và gió với các thông số gồm nhịp khung 20, 26, 32 và 38 m, sức trục
100 và 200 kN, và địa điểm xây dựng ở khu vực Hà Nội và Sơn La. Tải trong động đất được xác định
tác dụng đồng thời lên khung theo phương ngang và đứng. Các trường hợp tổ hợp nội lực được xét
gồm 10 tổ hợp CE1, . . . , CE10 do tải trọng động đất được xét có ảnh hưởng chính, 10 tổ hợp CW1,
. . . , CW10 do tải trọng gió được xét có ảnh hưởng chính và 6 tổ hợp CW11, . . . , CW16 do tải trọng
gió được xét có ảnh hưởng tương tự như các hoạt tải khác. Dưới đây là những kết luận thu được từ kết
quả nghiên cứu này:
Bảng 11. Trọng lượng của cột và dầm khung được thiết kế chịu các tổ hợp nội lực
do tải trọng động đất và gió (kN)
Khung
Trọng lượng cột Trọng lượng dầm mái
Do động đất Do gió Tỷ lệ Do động đất Do gió Tỷ lệ
H-20-100 16,87 16,87 1,00 13,44 13,44 1,00
H-26-100 16,44 16,44 1,00 19,35 19,35 1,00
H-32-100 19,68 19,09 1,03 24,64 23,99 1,03
H-38-100 24,45 21,72 1,13 36,51 29,83 1,22
S-20-200 20,54 16,87 1,22 13,99 13,99 1,00
S-26-200 27,05 17,18 1,57 18,86 18,86 1,00
S-32-200 29,65 19,39 1,53 29,91 24,06 1,24
S-38-200 32,84 21,72 1,51 42,41 30,31 1,40
18
Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
- Kết quả tổ hợp nội lực do tải trọng động đất đã cho thấy mô men uốn trong cột và dầm đều tăng
cùng với chiều dài nhịp khung. Hơn nữa, kết quả tổ hợp mô men uốn ở đỉnh cột do tải trọng động đất
bằng khoảng 90 đến 95% ở chân cột, trong khi kết quả tổ hợp do tải trọng gió bằng khoảng 49 đến
71%.
- Kết quả nội lực từ tổ hợp CW11, . . . , CW16 do tải trọng gió khi được xét có ảnh hưởng tương tự
như các hoạt tải khác là lớn hơn từ tổ hợp CW1, . . . , CW10 khi tải trọng gió được xét có ảnh hưởng
chính, cụ thể tỷ số kW1, kW2 và kW3 tương ứng với vị trí tại chân cột, đỉnh cột và ở đoạn giữa dầm của
các khung được khảo sát đều có giá trị nhỏ hơn đơn vị.
- Kết quả nội lực từ tổ hợp do tải trọng động đất có xu hướng lớn hơn đáng kể so với tải trọng gió,
phụ thuộc vào chiều dài nhịp khung và độ lớn tương đối của động đất so với gió, cụ thể tỷ số kE1 biểu
thị tỷ số mô men uốn ở vị trí chân cột có giá trị trong khoảng 0,92 đến 1,21 cho các khung ở Hà Nội
và 1,5 đến 1,56 cho các khung ở Sơn La.
- Trọng lượng của cột khi được xác định chịu tải trọng động đất là lớn hơn khoảng 1,03 đến 1,57
lần so với khi được xác định chịu tải trọng gió, phụ thuộc vào chiều dài của nhịp khung và độ lớn
tương đối của động đất so với gió. Điều này có nghĩa là kết cấu khung nhà công nghiệp một tầng bằng
thép khi xây dựng ở một số vùng của Việt Nam cần được thiết kế chịu động đất, đặc biệt ở những
vùng có động đất mạnh nhưng gió nhỏ.
Tài liệu tham khảo
[1] TCVN 2737:1995. Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế. Hà Nội.
[2] TCVN 9386:2012. Thiết kế công trình chịu động đất. Hà Nội.
[3] CEN (2003). Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance, Part 1: General rules, seismic
actions and rules for buildings. Brussels, Belgium.
[4] ICC (2003). International building code. International Code Council, Falls Church: Virginia.
[5] BCJ (2013). The building standard law of Japan. Tokyo.
[6] Thuật, Đ. V., Việt, Đ. Q., Sơn, N. V. (2016). Một số vấn đề khi xác định tải trọng động đất tĩnh ngang và
gió lên khung ngang nhà công nghiệp một tầng bằng thép có cầu trục. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây
dựng - ĐHXD, 10(1):17–24.
[7] Thuật, Đ. V., Chương, H. V., Hòa, N. Đ. (2017). Đánh giá tác dụng của tải trọng động đất tĩnh ngang và
gió lên khung ngang nhà công nghiệp một tầng bằng thép có cầu trục. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây
dựng - ĐHXD, 11(1):11–18.
[8] Thuat, D. V., Hoa, N. D., Chuong, H. V., Hung, T. V. (2019). Effects of vertical seismic actions on the
responses of single-storey industrial steel building frames. Journal of Science and Technology in Civil
Engineering (STCE)-NUCE, 13(3):73–84.
[9] Newmark, N. M., Hall, W. J. (1982). Earthquake spectra and design. Earthquake Engineering Research
Institute, California.
[10] Paulay, T., Priestley, M. J. N. (1992). Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings. John
Wiley & Sons: A Wiley Interscience.
[11] Chopra, A. K. (2007). Dynamics of structures: Theory and applications to earthquake engineering.
Prentice-Hall: Englewood Cliffs, NJ.
[12] Thuật, Đ. V. (2012). Đánh giá cơ chế phá hoại của kết cấu nhà khung thép nhiều tầng chịu động đất sử
dụng mô hình đơn lò xo phi tuyến. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng - ĐHXD, 6(1):3–11.
[13] Ninh, N. L. (2011). Cơ sở lý thuyết tính toán công trình chịu động đất. Hà Nội.
[14] TCVN 5575:2012. Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế. Hà Nội.
[15] Viên, N. Q., Tư, P. V., Quang, H. V. (2011). Kết cấu thép - Nhà dân dụng và công nghiệp. Hà Nội.
[16] Quang, H. V., Dũng, T. M., Cường, N. Q. (2010). Thiết kế khung thép nhà công nghiệp. Hà Nội.
[17] Hội, P. V., Viên, N. Q., Tư, P. V., Tường, L. V. (2009). Kết cấu thép - Cấu kiện cơ bản. Hà Nội.
19