Hợp lý hóa khối lượng kết cấu cột thép dạng thanh dàn, có tính đến yếu tố gia công lắp dựng

Luận Văn Group viết thuê luận văn thạc sĩ,chuyên đề,khóa luận tốt nghiệp, báo cáo thực tập,
Assignment, Essay
Liên Hệ: Zalo/Sdt 0967 538 624/ 0886 091 915 Website:lamluanvan.net
MỞ ĐẦU
Các kết cấu thép đã và đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thế
giới và ở Việt Nam. Trong đó, có rất nhiều kết cấu thép được thiết kế theo
dạng thanh, dàn (cột tải điện, tháp truyền hình, cần cẩu tháp, kèo nhà...). Thép
là vật liệu có khả năng chịu lực lớn, dễ gia công, lắp dựng, nhưng cũng là vật
liệu có khối lượng riêng lớn, giá thành cao. Do đó, nếu trong thiết kế tính toán
chỉ cần giảm bớt được vài phần trăm khối lượng kết cấu thì cũng có ý nghĩa
kinh tế, kỹ thuật rất lớn.
Vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu của các công trình thép đã được đặt ra, có
vai trò và ý nghĩa quan trọng, nhằm mục đích xác định khối lượng hợp lý của
kết cấu trên cơ sở đảm bảo đủ bền với trọng lượng nhỏ nhất, tương ứng chi
phí vật liệu là thấp nhất, không chỉ cho phép giảm giá thành sản phẩm mà còn
ảnh hưởng tốt đến các tính năng trong quá trình gia công lắp dựng và khai
thác sử dụng. Vì vậy, việc nghiên cứu lựa chọn phương pháp để hợp lý hóa
khối lượng kết cấu thép dạng thanh, dàn có một ý nghĩa khoa học. Trên cơ sở
nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm số để tìm ra các dạng kết cấu
thép hợp lý tối ưu.
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm số để tính
toán hợp lý hóa kết cấu thép. Từ các kết quả nghiên cứu sẽ đưa ra được nhận
xét và các khuyến nghị cần thiết khi tính toán thiết kế kết cấu cột thép dạng
thanh, dàn. Vì vậy, tác giả đã lựa chọn đề tài “ Hợp lý hóa khối lượng kết
cấu cột thép dạng thanh dàn, có tính đến yếu tố gia công lắp dựng”.
Đề tài luận văn sẽ tập trung nghiên cứu phương pháp, thuật toán để tính
toán hợp lý hóa kết cấu cột thép dạng thanh dàn, theo tiêu chí:

Assignment, Essay
- Giảm tối đa khối lượng kết cấu nhưng vẫn phải đảm bảo đủ khả năng
chịu lực;
- Giảm khối lượng nhưng không làm ảnh hưởng nhiều đến khả năng gia
công chế tạo;
- Kết cấu sau khi thiết kế phải đạt yêu cầu: dễ phân loại; dễ vận hành
lắp dựng; dễ tháo lắp khi cần thay thế.
Luận văn sẽ sử dụng phần mềm chuyên dụng mang tên TOWER, phần
mềm do PGS.TS Trần Nhất Dũng, xây dựng và lập trình – là phần mềm dạng
thương phẩm đã và đang được sử dụng tại một số đơn vị thiết kế của ngành
Điện Lực Việt Nam. TOWER được sử dụng để khảo sát, đánh giá hiệu quả
trên một số dạng công trình, kết cấu thép cụ thể và rút ra các nhận xét, kiến
nghị cho các bài toán tương tự.

Assignment, Essay
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT THÉP DẠNG THANH DÀN
Tóm tắt nội dung chương: Nghiên cứu tổng quan về kết cấu cột thép
dạng thanh, dàn.
1.1. Kết cấu thép và kết cấu cột thép dạng thanh dàn
1.1.1. Sự phát triển của kết cấu cột thép dạng thanh dàn
Kết cấu thép đã và đang ngày càng được sử dụng phổ biến trên cả thế
giới và ở Việt Nam. Trên thế giới kết cấu cột dàn thép đã từng có lịch sử hàng
trăm năm. Tại Việt Nam, dạng kết cấu này cũng đã từng được người Pháp,
người Mỹ đưa vào sử dụng tại Việt Nam từ cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20. Gần
đây, trong công cuộc hiện đại hóa, công nghiệp hóa đất nước, các kết cấu thép
dạng thanh dàn đã và đang được các nhà thầu nước ngoài đưa vào Việt Nam
ngày càng nhiều, ngày càng chứng tỏ được ưu thế của loại kết cấu này.
Công trình trụ, tháp thép nói chung và kết cấu cột thép dạng thanh dàn
nói riêng là những công trình có chiều cao rất lớn so với các kích thước còn
lại, vì thế, công trình có độ thanh mảnh lớn. Chiều cao có thể từ vài chục mét
đến vài trăm mét.
Kết cấu cột dàn thép gồm một hệ các thanh không gian từ ba mặt trở
lên, trong đó kết cấu có bốn mặt bên là thông dụng nhất. Cột thép dạng thanh
dàn là loại công trình thép được sản xuất, chế tạo sẵn ngay từ trong nhà máy.
Đây là các công trình thường có chiều cao lớn hơn rất nhiều so với kích thước
mặt bằng. Công trình dạng cột dàn, thường được sử dụng trong ngành bưu
chính viễn thông (cột an ten, cột viba, trạm BTS...); trong ngành điện lực (cột
truyền tải điện); hoặc trong một số lĩnh vực kỹ thuật chuyên dụng khác (cột
hải đăng, vọng quan sát, đài kiểm soát không lưu...).

Assignment, Essay
Đặc điểm chung của các dạng cột dàn là công trình thường được xây
dựng tại các khu vực địa hình và địa chất rất đa dạng. Có thể là khu dân cư
đông đúc, mặt bằng chật hẹp; cũng có thể là nơi núi non hiểm trở, không
thuận lợi cho thi công; cũng có thể là nơi địa chất, địa mạo phức tạp; nơi nắng
gió thất thường... Chính vì thế, trong thiết kế cột dàn, người ta không chỉ tính
toán đến khả năng thi công, giá thành thi công, mà còn phải tính toán đến rất
nhiều yếu tố tác động khác như: khả năng chịu lực; khả năng chống ăn mòn;
khả năng thay thế sửa chữa... và nhiều yếu tố khác nữa.
Cột tải điện dạng thanh dàn dạng cột được sử dụng phổ biến nhất hiện
nay không chỉ ở Việt Nam mà cả ở nhiều nước trên thế giới. Nếu như các cột
dạng khác thường hoạt động độc lập, riêng lẻ thì cột điện thường làm việc
theo hệ thống, có sự liên kết thông qua mạng lưới dây tới nhiều cột, chạy dài
theo tuyến có thể lên đến hàng trăm thậm chí hàng ngàn km. Các dạng cột
này, thường được chế tạo theo cụm các cột đồng dạng tùy theo các yêu cầu
kinh tế và kỹ thuật đã chỉ định sẵn. Quá trình làm ra sản phẩm hoàn chỉnh (có
kết hợp các bước kiểm tra và quản lý chất lượng) được trải qua 3 giai đoạn
chính: Thiết kế, gia công cấu kiện và lắp dựng tại công trình. Toàn bộ kết cấu
thép có thể sản xuất đồng bộ sẵn rồi đưa ra công trường lắp dựng trong thời
gian ngắn nhất.

Assignment, Essay
Hình 1.1. Cột đường dây tải điện
Khi mang đến công trường cột thép dạng thanh dàn, thường chỉ cần rất
ít thời gian thao tác lắp ghép để tạo nên một công trình hoàn chỉnh. Nhằm
giảm thiểu thời gian thi công trên công trường, giảm thiểu thời gian hoàn
thành công trình do vậy các thiết kế cột dàn thép thường có tính chuyên môn
hoá cao. Mặt khác đây cũng là dạng công trình tương đối dễ kiểm soát về chất
lượng công trình ngay từ trong quá trình sản xuất.
Cột dàn thép còn có đặc điểm là tải trọng ngang tác dụng vào tháp theo
hai phương vuông góc qua trọng tâm, do vậy hình dạng tiết diện các mặt bên
của tháp thường là đều nhau. Công trình dạng cột, chiều cao lớn nên dễ bị lật,
do đó hình dạng thường được thiết kế theo dạng đối xứng, chân tháp là đa
giác đều cạnh, trọng tâm chân đế trùng với trọng tâm kết cấu. Dạng mặt bằng
của tháp thông thường có các loại tam giác đều, hình vuông, hoặc đa giác đều.
Hình thức mặt bằng nằm ngang của tháp có quan hệ đến hiệu quả kinh tế và
thẩm mỹ tạo hình của nó. Hình thức tiết diện mặt bằng của tháp và chiều rộng

Assignment, Essay
của “vành đĩa đáy” phải được lựa chọn trên cơ sở công năng sử dụng, thẩm
mỹ, kiến trúc và điều kiện địa hình, địa chất cụ thể.
Hình 1.2. Tháp truyền hình Tam Đảo
Dạng mặt đứng của tháp có ảnh hưởng lớn đến tính hợp lý về mặt chịu
lực của kết cấu và tính thẩm mỹ tạo hình của tháp. Hình thức mặt đứng cơ bản
của tháp có thể phân thành 2 loại: một loại là độ dốc của cột tháp biến thiên
theo chiều cao tháp, thân tháp có hình dạng thuôn dần từ dưới lên trên, loại
thứ hai là độ dốc của cột tháp không biến thiên theo chiều cao tháp (Hình
1.3). Ngoài các trường hợp đặc biệt ra, nói chung người ta không dùng loại
tháp không có độ dốc (mặt cắt ngang của tháp không thay đổi) theo suốt chiều
cao tháp.

Assignment, Essay
a) b) c)
Hình 1.3. Hình dạng mặt đứng kết cấu tháp thép
Các hệ cột thép dạng thanh dàn điển hình trên thế giới hiện nay có thể
kể đến Tháp Eiffel ở Paris với chiều cao của công trình là >300 m, tháp
Tokyo Skytree ở Nhật Bản cao 634m, hay tháp Quảng Châu ở Trung Quốc
cao 600m... Ở Việt Nam có thể kể đến một số công trình cột thép dạng thanh,
dàn như tháp truyền hình Tam Đảo cao 93m, cột tải điện đường dây cao thế
500KV tuyến Bắc - Nam…
Việc sử dụng vật liệu hợp lý, đã giúp cột thép dạng thanh dàn kinh tế
hơn so với các dạng cột sử dụng kết cấu khác, cột thép dạng thanh dàn có thể
được thiết kế theo đốt, giúp cho công trình có thể dễ dàng vươn cao và có thể
sử dụng ở nhiều dạng địa hình khác nhau. Các đốt cột còn có thể sản xuất đại
trà trong nhà máy để sau đó lắp ghép tại công trường do vậy giảm được chi
phí cũng như rút ngắn được thời gian thi công công trình. Các cột thép dạng
thanh dàn khi sử dụng vào một số mục đích đại trà (cột điện, cột vi ba...) còn
có thiết kế tương đối giống nhau do vậy, có thể chế tạo đai trà, giúp giảm thời
gian và chi phí thiết kế công trình.

Assignment, Essay
Hình 1.4. Một số tháp hệ thanh thép điển hình trên thế giới
1.1.2. Ưu, nhược điểm của kết cấu cột thép dạng thanh dàn
Ưu điểm: Đánh giá chung, cột dàn thép có các ưu điểm vượt trội so với cột
làm từ các loại vật liệu khác là:
- Trọng lượng nhẹ so với các vật liệu khác (nếu cùng chịu cấp tải trọng);
- Do kết cấu được thiết kế theo dạng thanh dàn nên diện tích đón gió của
cột được giảm thiểu, giúp làm giảm áp lực tải trọng gió;
- Có thể đạt đến chiều cao lớn (hàng trăm mét);
- Có tính bền thời gian khá cao, không bị lão hóa, nếu được chống rỉ tốt,
tuổi thọ của cột thép đều có thể đạt từ 20 đến 40 năm (hoặc hơn);
- Lắp dựng đơn giản, nhanh chóng, đáp ứng được các điều kiện thời tiết,
khí hậu và địa hình;
- Tính đồng bộ và đồng nhất của vật liệu khá cao;
Tháp
Eiffel
Tháp TH
Quảng
Châu
Tokio
Skytree

Assignment, Essay
- Giá thành tương đối rẻ so với việc sử dụng vật liệu khác.
Chính những lý do trên, mà đến nay, dù các vật liệu mới đã xuất hiện
nhiều, nhưng khi cần xây dựng các cột ngoài trời có độ cao lớn, không chỉ cột
điện mà cả các cột tháp truyền hình, cột viba, trạm BTS... các nhà thiết kế đều
ưu tiên chọn phương án cột dàn thép.
Nhược điểm: Bên cạnh những ưu điểm rất rõ ràng và thuyết phục như đã
trình bày trên đây, thì kết cấu thép dạng thanh dàn cũng có một số nhược
điểm là:
+ Kết cấu thép cột thép dạng thanh dàn có giá thành cao: mặc dù giá
thành sắt thép ngày nay đã hạ thấp rất nhiều so với trước, nhưng so với các
vật liệu xây dựng truyền thống như bê tông cốt thép, gạch, gỗ... thì giá thành
của các công trình bằng thép nói chung và của các công trình cột dàn thép nói
riêng vẫn còn cao hơn đáng kể. Ngoài ra thời gian gần đây việc xuất hiện và
ứng dụng của các loại vật liệu composite có độ bền cao và giá thành ngày một
hạ, cũng khiến cho sức cạnh tranh của vật liệu thép ít nhiều bị ảnh hưởng;
+ Kết cấu thép dễ bị han rỉ, dễ bị ăn mòn do tác động của môi trường:
đây là nhược điểm lớn nhất của kết cấu thép nói chung và kết cấu cột thanh
dàn nói riêng. Chính vì nhược điểm này mà việc sử dụng cột dàn thép tại các
khu vực có mức độ ăn mòn cao như môi trường nóng ẩm, môi trường biển
đảo... bị hạn chế rất nhiều. Ngay cả trong môi trường đất liền, khí hậu ôn hòa,
thì kết cấu thép vẫn cần đến sự bảo dưỡng, bảo trì và duy tu thường xuyên.
Điều này khiến cho chi phí khai thác sử dụng kết cấu bị tăng lên.
+ Khả năng chống cháy và chống ăn mòn điện hóa của thép không cao:
tuy rằng thép có nhiệt độ nóng chảy khá cao (khoảng 1450C), nhưng khi

Assignment, Essay
nhiệt độ tăng đến khoảng vài trăm độ, khả năng chịu lực của kết cấu thép
nhanh chóng giảm xuống, chuyển vị của kết cấu cũng lớn lên đáng kể, có thể
dẫn đến nguy cơ phá hủy công trình.
Đã từng có không ít các sự cố, tai nạn đối với kết cấu cột thép dạng
thanh dàn. Gần đây và nổi tiếng có lẽ phải kể đến cột tháp truyền hình Nam
Định cao 180m, nặng 180 tấn đã bị gió bão Sơn tinh đánh sập năm 2012.
Hình 1.5. Cột tháp truyền hình Nam Định đổ năm 2012.
1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế cột thép dạng thanh dàn
1.1.3.1. Ảnh hưởng của công năng và địa điểm xây dựng cột
 Ảnh hưởng của công năng sử dụng công trình
Đây là yếu tố quan trọng, quyết định đến thiết kế, hình dáng, kết cấu
của cột thép dạng thanh dàn. Trừ một vài cột đặc biệt được làm với mục đích
trang trí, lấy tiêu chí thẩm mỹ làm đầu, còn lại hầu hết các cột dàn thép, đều
phải được xây dựng hướng đến mục đích và công năng cụ thể, ví dụ:

Assignment, Essay
- Cột điện: dùng cho mục đích đỡ, treo các dây tải điện;
- Cột an ten truyền hình: phục vụ mục tiêu phát thanh truyền hình;
- Cột BTS: phục vụ việc phát triển mạng viễn thông di động;
- Cột hải đăng: phục vụ việc đảm bảo giao thông, hàng hải trên biển…
Căn cứ vào mục đích sử dụng, vào quy mô, vào yêu cầu công năng cụ
thể; vào số lương và chủng loại thiết bị treo… của cột nhà thiết kế mới có thể
phác thảo được về chiều cao, hình dạng mặt bằng, mặt đứng công trình. Từ đó
sơ bộ chọn kích thước tiết diện, vật liệu kết cấu…
Căn cứ vào thời hạn sử dụng yêu cầu; vào cấp độ, mức độ quan trọng
của công trình, người ta mới tính toán được các hệ số an toàn và đề xuất các
giải pháp kết cấu, vật liệu, các quy trình sử dụng, bảo trì, bảo dưỡng…
 Ảnh hưởng của địa điểm xây dựng
Địa điểm xây dựng công trình cũng có ý nghĩa rất quan trọng trong
thiết kế tính toán kết cấu cột thép dạng thanh dàn.
Công trình xây dựng ở địa bàn thành phố sẽ thuận lợi về điều kiện gia
công, vận chuyển, lắp đặt, vận hành và bảo hành, bảo trì. Nhưng địa bàn
thành phố có mật độ xây dựng và dân cư đông đúc, nên cấp an toàn cũng đòi
hỏi cao hơn; diện tích mặt bằng sử dụng đất cũng luôn bị hạn chế; dễ bị tác
động ảnh hưởng của con người và xe cộ…
Ngược lại các cột xây dựng tại địa hình rừng núi sẽ gặp nhiều khó khăn
trong sản xuất, vận chuyển, giâ công, lắp dựng.. nhưng lại có thể sử dụng diện
tích đất tương đối thoải mái, có thể tăng khoảng cách các chân cột, giúp cột
vững hơn về kết cấu… Việc vận hành, bảo dưỡng, bảo trì cũng đỡ phức tạp
hơn do có mặt bằng công tác rộng rãi, không bị các tác nhân ngoài ý muốn do
con người và các máy móc, xe cộ gây ra.

Assignment, Essay
Một yếu tố quan trọng khác của địa điểm xây dựng ảnh hưởng đến thiết
kế cột thép dạng thanh dàn, đó là yếu tố tải trọng gió. Tại các vùng miền khác
nhau sẽ thuộc bản đồ phân vùng gió khác nhau. Do vậy mức độ tác động của
tải trọng gió đến cột nếu đặt ở các vùng miền khác nhau cũng có trị số khác
nhau rất nhiều. Trong khi tải trọng gió luôn là dạng tải trọng có ảnh hưởng
quan trọng đến tính toán thiết kế kết cấu của không chỉ cột thép mà còn là của
bất kỳ dạng công trình nào có chiều cao lớn.
Phân tích trên đây dẫn đến nhận định là: với cùng một loại cột thép (cột
điện, cột vi ba, cột BTS, cột an ten…) có cùng chiều cao, nhưng nếu được xây
dựng ở những địa điểm khác nhau thì cột phải được thiết kế riêng cho mỗi
vùng miền đó. Nghĩa là với từng xã, huyện… phải có thiết kế riêng cho từng
loại cột, nghĩa là số lượng thiết kế riêng cho từng loại cột sẽ rất lớn. Tuy
nhiên, để đơn giản hơn, các nhà thiết kế đã chọn giải pháp an toàn, nghĩa là họ
sẽ đưa ra một số dạng kết cấu điển hình có còng chiều cao nhưng có thể được
tính toán lắp dựng cho từng loại vùng gió (vùng I, vùng II, vùng III, vùng IV,
vùng V…), được gọi là các thiết kế mẫu. Với những cột thiết kế mẫu của
vùng có trị số cao hơn có thể lắp cho vùng địa hình thấp hơn (cột của vùng II
có thể lắp cho cả vùng I). Đây cũng chính là tư tưởng xuyên suốt cho nhiều
nghiên cứu điển hình hóa, và hợp lý hóa trong tính toán thiết kế cột và cũng là
tư tưởng nghiên cứu cho bài toán hợp lý hóa kết cấu trong luận văn này.
1.1.3.2. Ảnh hưởng của quá trình gia công lắp dựng
Các kết cấu thép dạng thanh dàn ở nước ta hiện nay sản xuất chủ yếu
theo phương pháp thủ công, hàn điện bằng tay, chế tạo riêng từng thanh. Kết
cấu thép phải được thiết kế sao cho phù hợp với việc chế tạo tại công xưởng,
giảm công chế tạo. Từng chi tiết được chế tạo tại nhà máy, sau đó phải được

Assignment, Essay
vận chuyển dễ dàng đến nơi lắp dựng. Nhà chế tạo cũng cần lưu ý đến tính
đối xứng mặt gương, tính lắp lẫn cho các cấu kiện cùng loại.
Thực tế thi công ở nước ta hiện nay, các kết cấu cột thép dạng thanh
dàn, được lắp dựng theo cách thủ công hoặc kết hợp một phần cơ giới. Thông
thường một hoặc một vài đoạn tháp bên dưới được lắp thủ công ở bên ngoài
mặt bằng rồi dùng cần cẩu để đặt vào đỉnh móng. Các đoạn còn lại bên trên
được lắp thủ công từng thanh, điều đó đòi hỏi độ chính xác cao trong chế tạo
cấu kiện, vì vậy mọi chi tiết chế tạo đều phải đơn giản, gọn nhẹ.
Hình 1.6. Thi công, lắp dựng cột tải điện
Khi cần, tăng khả năng chống xoắn trong thi công, nhằm cố định tim
cốt cho chân của mỗi đoạn thì việc tiếp tục lắp đoạn trên chỉ được thự hiện
sau khi vách ngang của đoạn dưới đã đủ cứng.

Assignment, Essay
Tại công trường, yêu cầu đặt ra đối với kết cấu thép là phải được lắp
dựng nhanh chóng, thuận lợi với các thiết bị có sẵn, liên kết khi dựng lắp phải
dễ dàng, thuận tiện.
Khi lắp dựng các thanh trên cao, đa số phải sử dụng phương pháp lắp
đặt thủ công, do đó các liên kết trong cùng một loại cấu kiện thường chỉ nên
sử dụng cùng một loại đường kính bulông. Trong phạm vi toàn công trình để
đỡ phức tạp nên hạn chế tối đa bulông có đường kính khác nhau, tổng số loại
bulông thiết kế cho một cột thường chỉ từ 3  5 loại.
Các bulông được bố trí thành một hoặc hai hàng để đảm bảo tính chất
cân tải cho mỗi bulông. Hình thức bố trí bulông liên kết quyết định mô hình
tính toán cột là thanh 2 đầu ngàm hoặc thanh 2 đầu khớp.
1.2. Bài toán thiết kế hợp lý
Tối ưu hóa kết cấu là mục tiêu có ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật mà những
người thiết kế luôn mong muốn đạt được. Tuy nhiên việc tối ưu dường như
luôn là mục đích không thể với tới của các nhà thiết kế. Bởi lẽ nếu khi ta thực
hiện được việc tối ưu thiết kế theo đúng nghĩa, thì khi đó mỗi thanh sẽ có tiết
diện đúng như nó cần phải có; số lượng bu lông liên kết của mỗi thanh cũng
sẽ khác nhau cả về số lượng lẫn kích cỡ bu lông… Với kết quả đó, bài toán
gia công chế tạo (và cả bài toán lắp dựng nữa) sẽ trở nên rất khó thực hiện,
thậm chí là bất khả thi. Do đó, trong thực tế, các nhà thiết kế chế tạo cột đến
nay đều thống nhất quan điểm là thiết kế hợp lý. Trên cơ sở vừa thỏa mãn tiết
diện thanh là hợp lý, nhưng vẫn có tính đại diện cao; Các thiết kế hướng đến
việc giảm số lượng tiết diện thanh (càng có nhiều thanh dùng chung loại tiết
diện càng có lợi về mặt gia công chế tạo và lắp dựng); số lượng và chủng loại
bu lông cũng được giới hạn chọn từ 03 đến 05 loại để dễ chế tạo đại trà và

Assignment, Essay
cũng giúp người công nhân có thế dễ dàng trong lắp dựng kết cấu. Đây cũng
là nội dung nghiên cứu chủ yếu và quan trọng nhất của luận văn này.
Cùng với sự phát triển nhanh của kỹ thuật tính toán, máy tính điện tử
tốc độ cao, các phần mềm phân tích kết cấu đa năng và chuyên dụng, tối ưu
hóa kết cấu ngày càng được nhiều người quan tâm, ứng dụng để giải quyết
các bài toán thực tế mà trước đây chưa có điều kiện thuận lợi để thực hiện.
Các nội dung sau đây đề cập chủ yếu đến bài toán hợp lý hóa hóa khối lượng
của kết cấu, một phần của vấn đề tối ưu hóa kết cấu theo nghĩa rộng.
1.2.1. Cơ sở tính toán thiết kế cột dàn thép
 Nguyên tắc thiết kế
Trong tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép [4], đều sử dụng phương pháp
tính toán kết cấu thép theo trạng thái giới hạn, kết cấu được tính toán sao cho
không vượt qua trạng thái giới hạn của nó. Trạng thái giới hạn là trạng thái
mà khi vượt quá thì kết cấu không còn thỏa mãn các yêu cầu sử dụng hoặc
dựng lắp được đề ra khi thiết kế. Các trạng thái giới hạn gồm:
- Các trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực là trạng thái mà kết cấu
không còn đủ khả năng chịu lực, sẽ bị phá hoại, sụp đổ hoặc hư hỏng làm
nguy hại đến sự an toàn của công trình. Đó là các trường hợp kết cấu không
đủ độ bền (phá hoại bền), hoặc kết cấu bị mất ổn định, hoặc kết cấu bị phá
hoại giòn, hoặc vật liệu kết cấu bị chảy.
- Các trạng thái giới hạn về biến dạng là các trạng thái mà kết cấu
không còn sử dụng bình thường được nữa do bị biến dạng quá lớn hoặc do hư
hỏng cục bộ. Các trạng thái giới hạn này gồm: trạng thái giới hạn về độ võng
và biến dạng làm ảnh hưởng đến việc sử dụng bình thường của kết cấu, do đó
hạn chế việc sử dụng công trình; sự rung động quá mức; sự han gỉ quá mức.

Assignment, Essay
Khi tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn phải sử dụng các hệ số độ
tin cậy sau [4, tr15-16]:
- Hệ số độ tin cậy về cường độ M;
+ Hệ số độ tin cậy về vật liệu lấy bằng 1,1 cho mọi mác thép.
+ Khi tính toán mối hàn, hệ số độ tin cậy về cường độ của mối hàn
lấy bằng 1,25 khi fwun<=490MPa và bằng 1,35 khi fwun>=590MPa.
- Hệ số độ tin cậy về tải trọng Q khi tính kết cấu theo các giới hạn về khả
năng chịu lực.
- Hệ số điều kiện làm việc C khi tính toán kiểm tra khả năng chịu lực (Bảng
1.1). Các trường hợp khác không nêu trong bảng thì đều lấy C = 1.
 Tải trọng tác động
Khác nhau cơ bản về tải trọng giữa công trình cột thép dạng thanh, dàn với
các công trình khác là thành phần động của tải trọng gió. Kết cấu có độ thanh
mảnh lớn, khi chịu tác dụng của tải trọng ngang như gió, bão công trình sẽ có
dao động khá lớn nên phát sinh lực quán tính. Do vậy, ngoài tải trọng gió tĩnh
do áp lực gió tác dụng vào công trình còn có thành phần gió động do khối
lượng công trình tham gia dao động gây ra lực quán tính. Để xác định được
thành phần gió động cần phải xác định chính xác các đặc trưng của bài toán
dao động riêng: chu kỳ, tần số, biên độ và hướng của dao động. Các đại lượng
này bị chi phối bởi giá trị và cách phân bố khối lượng lên công trình. Tải
trọng gió được xác định theo các đoạn cột sau đó được chia về thành tải trọng
nút (tải trọng tập trung).

Assignment, Essay
 Liên kết giữa các thanh
Kết cấu cột thép dạng thanh, dàn được xác định bởi các phần tử thanh.
Theo quy phạm kết cấu thép, nếu liên kết hai đầu thanh có từ hai bulông trở
lên thì liên kết đó được coi như là liên kết nút cứng. Còn với thanh có liên kết
một bulông thì đó được coi như liên kết khớp. Liên kết chân cột với đế móng
được xem là liên kết ngàm hoặc khớp.
1.2.2. Các nội dung của bài toán thiết kế hợp lý
 Các yếu tố ảnh hưởng chi phối đến nhiệm vụ thiết kế
Cột thép dạng thanh dàn, là các kết cấu chế thức sẵn trong nhà máy sau
đó mới được lắp dựng tại công trường. Vì vậy, yêu cầu quan trọng được đặt ra
là kết cấu phải có tính điển hình hóa cao, phù hợp với việc chế tạo tại công
xưởng để giảm chi phí và thời gian gia công chế tạo.
Các thanh dàn phải được chế tạo, phân loại, đánh số phù hợp theo kích
thước, loại vật liệu sử dụng và ứng với từng cao trình để đáp ứng yêu cầu lắp
dựng đơn giản, thuận lợi, nhanh chóng.
Các thanh giống nhau hoặc gần giống nhau ở cùng vị trí làm việc được
gọi là các thanh đồng dạng. Việc xác định thanh đồng dạng, điển hình hóa kết
cấu sẽ đem lại nhiều lợi ích trong quá trình chế tạo, lắp dựng và sử dụng sau
này. Thanh đồng dạng sẽ được thiết kế theo vị trí bất lợi nhất về kết cấu, được
chế tạo theo loạt và có thể lắp lẫn cho nhau.
Việc chế tạo theo thanh đồng dạng tạo thuận tiện trong quá trình sản
xuất, quản lý, tăng năng suất lao động và giảm thời gian chế tạo cũng như thời
gian lắp dựng; giảm số lượng chủng loại thanh nên cũng giúp công nhân bớt
nhầm lẫn trong quá trình lắp dựng, chọn lựa thanh.

Assignment, Essay
Các cấu kiện khi sản xuất tại nhà máy, công xưởng phải được gia công
chế tạo theo đúng tiêu chuẩn quy định về gia công, lắp ráp và nghiệm thu kết
cấu thép [1]. Tất cả các lỗ để liên kết bulông phải được gia công tại nhà máy
theo đúng đường kính thiết kế. Đường kính danh định của lỗ bulông được quy
định cụ thể trong tài liệu thiết kế, trường hợp thiết kế không quy định được
thực hiện theo Bảng 8 TCXDVN 170-2007 [1].
dễ dàng, thuận tiện. Chủng loại thanh thép không quá nhiều để người công
nhân có thể dễ dàng nhận biết và lựa chọn trong quá trình thi công, việc lắp
dựng cũng đơn giản hơn do dễ quản lý và phân loại các cấu kiện.
 Mục tiêu của bài toán thiết kế hợp lý
Qua các phân tích trên đây cho thấy, vấn đề của bài toán thiết kế tối ưu
kết cấu của các công trình thép là bài toán có vai trò và ý nghĩa quan trọng.
Với mục đích xác định khối lượng hợp lý của kết cấu trên cơ sở đảm bảo đủ
bền với trọng lượng nhỏ, chi phí xây dựng thấp, không chỉ giúp giảm giá
thành sản phẩm mà còn có ảnh hưởng tốt đến các tính năng trong quá trình
gia công lắp dựng và khai thác sử dụng, đây cũng là bài toán có ý nghĩa về
mặt kinh tế.
Vì vậy, đề tài luận văn chọn bài toán nghiên cứu hợp lý hóa hóa khối
lượng kết cấu thép cột dàn thép có kể đến yếu tố lắp dựng là một bài toán có ý
nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và mang lại hiệu quả kinh tế tốt.
Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu các phương pháp tính, nghiên cứu và xây
dựng dụng thuật toán để hợp lý hóa kết cấu thép. Nhận dạng các thanh có vị
trí và vai trò tương đồng nhau, để phân loại và xếp chúng vào cùng nhóm, sau

Assignment, Essay
đó chọn ra giá trị nội lực cực trị trong các phần tử của nhóm và tính toán thiết
kế theo cực trị đó.
Đề tài sẽ sử dụng phần mềm chuyên dụng cho mục tiêu này, trên cơ sở
nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thử nghiệm số để từ đó tính toán thiết kế
thanh theo các nhóm đồng dạng có liên kết đồng dạng để phân tích đánh giá
và cho các kiến nghị cần thiết.
1.3. Các nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu của luận văn
- Nghiên cứu về kết cấu thép nói chung và kết cấu cột thép dạng thanh
dàn nói riêng.
- Nghiên cứu về quy trình thiết kế, gia công và lắp dựng đối với kết cấu
cột thép dạng thanh dàn.
- Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật trong thiết kế và gia công lắp dụng
kết cấu cột thép dạng thanh dàn.
- Nghiên cứu thuật toán, đề xuất quy tắc thiết kế hợp lý, nhằm giảm thiểu
được tổng khối lượng kết cấu cột, nhưng vẫn thuận lợi cho gia công, chế tạo
và lắp dựng.
Kết luận chương 1
Với những ưu điểm như nhẹ, có cường độ chịu lực lớn, vượt nhịp và
chiều cao lớn, dễ vận chuyển và lắp dựng… kết cấu thép ngày càng được sử
dụng rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam.
Thép tuy là vật liệu có khả năng chịu lực lớn, dễ gia công, lắp dựng,
nhưng cũng là vật liệu có khối lượng riêng lớn, giá thành cao. Do đó, trong
thiết kế tính toán, yêu cầu tiết kiệm vật liệu, giảm giá thành có ý nghĩa rất
quan trọng.
Công trình cột dàn thép được sử dụng nhiều bởi tính thuận tiện trong

Assignment, Essay
thi công, lắp dựng nhưng cũng rất dễ hư hỏng khi gặp gió bão. Vì vậy kết cấu
phải được tính toán thiết kế theo trạng thái giới hạn với tổ hợp tải trọng nguy
hiểm nhất.
Đề tài giải bài toán thiết kế hợp lý có kể đến yếu tố gia công lắp dựng
là đề tài có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, có thể mang lại hiệu quả
cho công tác thiết kế.

Assignment, Essay
Chương 2
BÀI TOÁN HỢP LÝ HÓA KHỐI LƯỢNG KẾT CẤU CỘT THÉP
DẠNG THANH DÀN CÓ KỂ ĐẾN YẾU TỐ GIA CÔNG LẮP DỰNG
2.1. Trình tự thiết kế kết cấu cột thép dạng thanh dàn
2.1.1. Các bộ phận kết cấu của cột thép dạng thanh dàn
Cột gồm 3 bộ phận chính:
- Đầu cột: Đỡ các kết cấu bên trên và phân phối tải trọng cho thân cột
- Thân cột: Truyền tải trọng từ trên xuống dưới
- Chân cột: Liên kết cột vào móng, phân phối tải trọng từ cột vào móng
Hình 2.1. Các bộ phận chính của cột

Assignment, Essay
a) Các dạng chính của kết cấu thép dạng thanh dàn
 Dạng đứng: trục của thanh cánh của cột đều song song và vuông góc
với mặt móng. Số lượng thanh cánh có thể là ba, bốn hoặc nhiều thanh. Loại
kết cấu này chế tạo và lắp ghép đơn giản, số lượng chủng loại cấu kiện ít nhất,
chịu tải trọng đứng khá tốt do không làm cho thanh cánh bị uốn xiên bởi tải
trọng đứng. Khi chịu tải trọng ngang thì hình dạng này không hợp lý do kết
cấu có sự thay đổi đột ngột về tiết diện, dẫn đến sự tập trung ứng suất. Để hạn
chế bất hợp lý này, có thể sử dụng các thanh có tiết diện thay đổi nhưng cũng
ít hiệu quả. Vì vậy chỉ nên dạng này cũng chỉ sử dụng cho những cột thấp,
chịu tải trọng đứng là chính.
 Dạng thon (thuôn): trục các thanh cánh có cùng độ dốc trên suốt chiều
cao của cột. Do đặt nghiêng nên khi chịu tải trọng đứng các thanh cánh bị uốn
xiên, nếu độ dốc bé thì tác dụng của uốn xiên cũng không đáng kể. Khi chịu
tải trọng ngang thì hình dạng này hợp lý hơn vì hình dạng tổng thể phù hợp
hơn với dạng của biểu đồ mômen côngxon. Cách phân phối độ cứng và phân
phối khối lượng cũng phù hợp hơn lớn ở phía chân tháp, nhỏ dần khi lên cao
có tác dụng làm giảm dao động bản thân. Việc chế tạo cũng tương đối đơn
giản. Do vậy, hình dạng này thường được áp dụng để xây dựng khá nhiều cho
các tháp, cột có chiều cao trung bình.
Dạng thon thay đổi độ dốc một số lần: dọc theo chiều cao, độ dốc của thanh
cánh thay đổi một số lần. Số lần thay đổi càng nhiều thì việc chế tạo, lắp dựng
càng khó khăn nhưng hiệu quả về mặt chịu lực, về kinh tế, thẩm mỹ càng lớn.
Các cột có chiều cao lớn đều áp dụng hình dạng này.
b) Hệ thanh bụng

Assignment, Essay
Giống như trong dàn mái, hệ thanh bụng trong các tháp thép dạng dàn làm
nhiệm vụ định hình cho các thanh cánh tháp, cố định dạng cho các dàn biên
khi chịu tải, làm giảm chiều dài tính toán và tránh uốn cục bộ cho thanh cánh.
Việc chọn phương án hệ thanh bụng không chỉ ảnh hưởng đến tính chất chịu
lực của toàn tháp mà còn bị chi phối bởi khả năng thi công, yêu cầu sử dụng
không gian và phương án bố trí vách cứng ngang. Có nhiều cách bố trí hệ
thống thanh bụng, các phương án thường áp dụng là:
* Hệ thanh bụng xiên và hệ thanh bụng tam giác: có cấu tạo mắt đơn giản, số
lượng thanh qui tụ vào mắt ít. Hệ tam giác cho tổng chiều dài thanh bụng bé
nhất. Nhược điểm chính của hai loại này là chiều dài mỗi thanh tương đối lớn,
điều kiện ổn định khi thanh chịu nén khá bé. Vì vậy chúng chỉ thường được
áp dụng ở những cột nhỏ, có chiều dài thanh bụng không lớn lắm.
Hình 2.2: Hệ thanh bụng của cột thép dạng dàn.
* Hệ thanh bụng chữ thập: có cấu tạo mắt phức tạp hơn hệ tam giác và hệ
a) b) c)
d) e) f) h)

Assignment, Essay
thanh xiên nhưng khi chịu tải theo một phương xác định thì một nửa số thanh
bụng chịu kéo còn nửa kia chịu nén. Nếu bỏ qua các thanh nén thì hệ vẫn còn
là hệ bất biến hình, có khả năng chịu tải tốt. Điều này cho phép khả năng có
thể làm hệ thanh bụng bằng các dây mềm. Nhược điểm chính của hệ thanh
bụng chữ thập là chiều dài các thanh cánh lớn, khi bố trí vách thì cấu tạo thêm
thanh ngang tại nút góc và vì thế làm cho các nút góc quá phức tạp. Phương
án dùng hệ thanh bụng chữ thập có thanh ngang khắc phục được những nhược
điểm trên. Trong hệ này, các thanh ngang có nội lực bé, nhưng đóng vai trò
làm giảm chiều dài tính toán cho thanh cánh và vì thế tiết diện thanh cánh sẽ
bé hơn.
* Hệ thanh bụng dạng quả trám: cho tổng chiều dài thanh bụng bé, chiều dài
của mỗi thanh bụng cũng không lớn, có thể chịu được tải trọng theo các
hướng khác nhau, lại dễ dàng liên kết nối thanh cánh tại nút đỉnh quả trám,
các nút này có số lượng thanh quy tụ ít. Dạng này được sử dụng nhiều cho các
tháp thông thường và lớn. Giải pháp hệ thanh bụng quả trám có thanh ngang
cũng được dụng khi cần giảm chiều dài tính toán cho thanh cánh, hoặc khi
cần bố trí các vách ngang.
* Hệ thanh bụng tam giác chồng (nửa xiên): thích hợp cho việc bố trí các sàn,
vách cứng tại chỗ có thanh ngang. Hệ này có thanh bụng tương đối ngắn, chịu
nén khá tốt. Với kết cấu thép dạng dàn có chiều rộng lớn, chiều dài thanh
ngang lớn, thích hợp để áp dụng hệ này khi đó các thanh chống xiên làm giảm
nhịp cho thanh ngang. Nhược điểm chính của hệ này là tại nút nối đoạn có
nhiều thanh hội tụ nên cấu tạo liên kết khá phức tạp, vì vậy chỉ nên dùng
trong các cột lớn hoặc phải lùi mối nối thanh cánh lên cao hơn nút một đoạn
20 - 50 cm.

Assignment, Essay
* Hệ chia nhỏ: là hệ có thể áp dụng kết hợp với tất cả các hệ thanh bụng khác.
Vai trò chính của các thanh chia nhỏ là làm giảm chiều dài tính toán và hạn
chế uốn cục bộ cho các thanh kể cả thanh cánh và thanh bụng. Nhưng việc áp
dụng nó sẽ kéo theo sự phức tạp trong cấu tạo số lượng mắt nhiều hơn mức độ
phức tạp của mỗi mặt cũng lớn hơn, vì vậy chỉ nên dùng với những cột lớn
hoặc khi không khai thác được tiết diện lớn cho các thanh chính.
c) Vách cứng ngang
Vách cứng ngang định hình, cố định khoảng cách không gian cho các thanh
cánh, định dạng tháp trong quá trình chịu lực. Vị trí bố trí vách ngang ảnh
hưởng đến chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng cho các thanh bụng của dàn
chính. Nếu không có các vách cứng thì trong quá trình chịu lực hình dạng
chung của cột sẽ thay đổi và kéo theo những sai lệch về giả thiết tính toán,
phân phối tải trọng, nội lực giữa các phần tử. Vách cứng còn đóng vai trò bảo
đảm độ cứng chống xoắn, mômen chống xoắn, phân phối mômen xoắn cho
các dàn mặt bên cùng chịu.
a) b)
c) d)

Assignment, Essay
Hình 2.3: Các loại vách ngang dạng hệ thanh của cột thép
Vách cứng ngang có thể làm bằng bản bê tông cốt thép, bằng thép bản dày
hoặc các dàn thép nằm ngang. Các dàn ngang này nhận các thanh ngang của
các dàn mặt kết cấu làm thanh biên có bổ sung thêm các thanh bụng xiên để
tiết diện ngang này đủ cứng, bất biến hình trong mặt phẳng của chính nó.
Theo điều kiện chịu lực thì khoảng cách lớn nhất giữa hai vách cứng không
được lớn hơn ba lần chiều rộng trung bình của thân cột chỗ bố trí vách nên
vào khoảng từ 9 - 10 m và mỗi cột phải có ít nhất là hai vách cứng ngang. Khi
bố trí cần quan tâm cả đến các khả năng thi công xây dựng: các vách cứng
thường là chỗ tựa cho các chi tiết thang, sàn công tác cả ở giai đoạn lắp dựng
và trong vận hành. Vì vậy, trên mỗi đoạn lắp ghép cần bố trí ít nhất một vách
cứng ngang.
2.1.2. Tải trọng và tác động
2.1.2.1. Trọng lượng bản thân
Trọng lượng bản thân (tĩnh tải) là đại lượng chỉ tính chính xác được sau khi
đã thiết kế xong. Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ hoặc thiết kế phương án thì
đại lượng này chỉ được xác định gần đúng với các cách tính sau đây
* Trong giai đoạn tính toán sơ bộ ban đầu, trọng lượng bản thân của toàn kết
cấu thép cột dạng thanh dàn (hoặc của trung bình 1 m chiều cao cột) có thể
xác định dựa vào công thức kinh nghiệm sau:
3
0 w
i H
G G K K
 kG hoặc kG/m
trong đó: Gi - trọng lượng toàn cột (hoặc của 1m cao) là đại lượng cần tìm

Assignment, Essay
G0 - trọng lượng toàn cột (hoặc của 1m cao) đã biết theo một tài
liệu nào đó.
Kw - tỷ số tải trọng gió khu vực của cột đang xét và cột đã biết
w
0
w
w
i
K 
KH - tỷ số chiều cao của cột đang xét và cột đã biết
0
H
H
i
H
K 
* Cũng có thể xác định trọng lượng bản thân dựa trên cơ sở đã có chiều dài
thanh, đã giả thiết trước kích thước tiết diện thanh.
Trọng lượng tiêu chuẩn của thanh thứ j nào đó có chiều dài Lj (m) và diện tích
Aj (m2
) xác định theo công thức:
0
j j j
G L A 
 kG
Trọng lượng của toàn cột (hoặc một đoạn thứ k nào đó) xác định gần đúng với
công thức:
0
1
1,15
r
j j
j
G L A 

  kG
trong đó: 0 - trọng lượng riêng của vật liệu thanh
r - tổng số thanh j của toàn cột (hoặc của đoạn thứ k)
1,15 - hệ số tăng trọng lượng, kể đến trọng lượng của các bản mắt
và các chi tiết khác: bulông, đường hàn, thang, sàn công tác..
Sau khi thiết kế chi tiết cần tính toán lại chính xác trọng lượng của cột.

Assignment, Essay
Nếu sai lệch trọng lượng giữa hai lần tính toán nhỏ hơn 10- 15%, thì chấp
nhận trọng lượng đã giả thiết là đúng mà không cần phải tính lại.
2.2.1.2 Tải trọng gió đối với công trình kết cấu thép cột dạng thanh dàn
Gió là dòng chuyển động của không khí trong khí quyển do sự chênh lệch áp
suất giữa các vùng, phát sinh chủ yếu bởi sự đốt nóng khí quyển không đều
của mặt trời và sự quay quanh bản thân của trái đất.
Đặc trưng cơ bản của gió là sự chảy rối của dòng không khí và có vận tốc
thay đổi liên tục theo thời gian, theo bề cao và theo bề mặt. Gió có hiện tượng
giật, xoáy, thổi từng cơn và hiện tượng chuyển động thành luồng. Ở những
nơi khác nhau, những địa hình khác nhau, những độ cao khác nhau có áp lực
gió vào công trình khác nhau. Gió còn gây cho công trình bị dao động tăng
thêm nội lực nguy hiểm cho công trình.
Khác nhau cơ bản về tải trọng giữa công trình cột thép dạng thanh, dàn
với các công trình xây dựng thông thường là thành phần động của tải trọng
gió. Kết cấu có độ thanh mảnh lớn, khi chịu tác dụng của tải trọng ngang như
gió, bão công trình sẽ có dao động khá lớn nên phát sinh lực quán tính. Do
vậy ngoài tải trọng gió tĩnh do áp lực gió tác dụng vào công trình còn có
thành phần gió động do khối lượng công trình tham gia dao động gây ra lực
quán tính. Để xác định được chính xác thành phần động cần phải xác định
chính xác các đặc trưng của bài toán dao động riêng: chu kỳ, tần số, biên độ
và hướng của dao động. Các đại lượng này bị chi phối bởi giá trị và cách phân
bố khối lượng lên công trình. Tải trọng gió được xác định theo các đoạn cột
sau đó được chia về thành tải trọng nút (tải trọng tập trung). Tải trọng gió
được xác định theo hai trường hợp: thẳng góc và chéo 450
. Với trường hợp

Assignment, Essay
gió thổi chéo 450
tải trọng gió sẽ bị phân tác ra làm hai thành phần (thẳng góc
và trượt). Thành phần thẳng góc được giữ lại trong tính toán, thành phần trượt
trên thanh được bỏ qua.
2.1.3. Tính toán thiết kế cột thép theo tiêu chuẩn hiện hành
 Lập sơ đồ tính
Kết cấu cột dàn thép được mô tả như các phần tử thanh, làm việc theo
mô hình không gian 3D. Tùy thuộc liên kết hai đầu thanh có thể xác định đó
là thanh hai đầu nút cứng hoặc thanh hai đầu khớp (mặc định là các thanh hai
đầu nút cứng). Theo quy phạm kết cấu thép nếu liên kết hai đầu thanh có từ
hai bulông trở lên thì liên kết đó được coi như là liên kết nút cứng. Còn với
thanh có liên kết một bulông thì đó được coi như liên kết khớp. Hiện nay còn
có quan điểm cho rằng tất cả các thanh trong liên kết cột đều có thể xem là
các thanh liên kết nút cứng. Quan điểm này thậm chí còn được một số chuyên
gia ở một số nước tiên tiến áp dụng như tại Mỹ, Pháp, Úc... Quan điểm này
nói chung là chấp nhận được vì trong thiết kế người ta thường chỉ bố trí liên
kết một bulông tại các thanh phụ, thanh giằng, thanh cấu tạo... là các thanh mà
thành phần mômen nếu có thì cũng chỉ đạt trị số rất nhỏ. Liên kết chân cột với
đế móng được xem là liên kết ngàm hoặc khớp (mặc định là liên kết ngàm).
Với quan điểm này, trong quá trình tính toán cột, thanh dàn được tính toán
riêng sau đó sẽ truyền tác dụng lên móng thông qua các thành phần phản lực
gối tựa.

Assignment, Essay
Ld
ld
lm
Ld
lm
Ld
lc lc
lm
ld
lm
Ld
ld
a) b) c)
d) e)
lm
Hình 2.4. Sơ đồ kết cấu không gian rỗng, các thanh từ thép góc đơn
 Tải trọng tác dụng
Tải trọng tác dụng vào công trình cột thép dạng thanh dàn, trụ tùy thuộc
vào chức năng cụ thể của nó, có thể có các loại tải trọng như sau: Tải trọng
thường xuyên do trọng lượng bản thân của kết cấu; Tải trọng tạm thời (tải
trọng gió, lực từ dây dẫn điện tác dụng vào cột điện, trọng lượng của ăngten
trên các cột ăngten, hoạt tải sửa chữa thiết bị, hoạt tải gây ra bởi sự cố đứt dây
dẫn điện đối với cột đường dây tải điện); Tải trọng đặc biệt (tải trọng do động
đất, tải trọng do nổ…).
Với tính chất đặc biệt của tải trọng gió là tác động thường xuyên, liên
tục, phương và chiều cũng như cường độ luôn luôn thay đổi nên tải trọng gió
là một trong những tải trọng gây nguy hiểm nhất cho công trình dạng tháp.

Assignment, Essay
Theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 2737-1995 [3] tải trọng gió gồm
hai thành phần tĩnh và động. Áp lực của tải trọng gió tác dụng lên công trình
phụ thuộc vào các yếu tố như: địa điểm xây dựng, chiều cao và hình dạng
công trình. Với công trình nhà cửa cao dưới 40m tải trọng gió động không
nhất thiết phải tính nhưng với công trình cột dàn thép thì thành phần động của
tải trọng gió luôn đóng vai trò vô cùng quan trọng luôn phải kể đến.
* Thành phần tĩnh của tải trọng gió tác động lên công trình
Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió W ở độ cao Z so với
mốc chuẩn xác định theo công thức: W= W0 * k * c. Trong đó:
W0: giá trị áp lực gió phụ thuộc vào các vùng và được lập thành bảng (còn gọi
là bản đồ phân vùng) (Bảng 2.1);
Bảng 2.1. Giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng gió trên lãnh thổ VN
Vùng áp lực gió trên bản đồ I II III IV V
Wo (daN/m2
) 65 95 125 155 185
k: Hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió theo độ cao (Bảng 2.2);
Bảng 2.2. Hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình
Dạng địa hình
Độ cao Z (m)
A B C
3 1 0.8 0.47
5 1.07 0.88 0.54
10 1.18 1 0.66
15 1.24 1.08 0.74
20 1.29 1.13 0.8

Assignment, Essay
30 1.37 1.22 0.89
40 1.43 1.28 0.97
50 1.47 1.34 1.03
60 1.51 1.38 1.08
80 1.57 1.45 1.18
100 1.62 1.51 1.25
150 1.72 1.63 1.4
200 1.79 1.71 1.52
250 1.84 1.78 1.62
300 1.84 1.84 1.7
350 1.84 1.84 1.78
400 1.84 1.84 1.84
Ghi chú:
Địa hình dạng A: trống trải
Địa hình dạng B: tương đối trống trải
Địa hình dạng C: địa hình bị che chắn mạnh
Với đoạn cột gồm nhiều phần tử có dạng tiết diện khác nhau độ cao của đốt
cột được tính theo độ cao tương đương Htđ.





 n
i
i
n
i
i
i
td
a
H
a
H
1
1
ai: Diện tích đón gió thanh thứ i trong mặt phẳng dàn đang xét.

Assignment, Essay
ai = Li . Bi (Li: Chiều dài thanh thứ i;
Bi: Chiều rộng chắn gió của thanh thứ i).
Hi: Chiều cao thanh thứ i (tính từ trọng tâm thanh thứ i đến cốt 0.00
giả định của cột).
c: Hệ số khí động lấy theo Bảng 6 TCVN 2737-1995[3]. Với dàn
không gian c= cx (1+) x k1
cx: Đối với thép hình dạng L, C, H thì cx = 1,4
Hệ số k1 được xác định theo Bảng 2.3
Bảng 2.3. Bảng xác định hệ số k1
Dạng tiết diện ngang và hướng gió k1
1,0
0,9
1,2
: Hệ số kể đến ảnh hưởng của mặt khuất gió của dàn.  được xác định
thông qua hai tham số sau:
A
ai


 Với A là diện tích đường bao ngoài của mặt đón gió.
h
b
h
b

Assignment, Essay
h
b
Với b là kích thước cạnh song song với mặt đón gió; h là kích
thước dàn theo hướng vuông góc với hướng đón gió.
Sau khi xác định được hai tham số  và b/h, tra Bảng 2.4 ta sẽ được 
Bảng 2.4. Hệ số  kể đến ảnh hưởng của mặt khuất gió của dàn
Sơ đồ tải trọng gió tác dụng 
Tỷ số b/h
0.50 1.00 2.00 4.00 6.00
0.10 0.93 0.99 1.00 1.00 1.00
0.20 0.75 0.81 0.87 0.90 0.93
0.30 0.56 0.65 0.73 0.78 0.83
0.40 0.38 0.48 0.59 0.65 0.72
0.50 0.19 0.32 0.44 0.52 0.61
0.60 0.00 0.15 0.30 0.40 0.50
Vậy tải trọng do thành phần tĩnh của gió gây ra cho từng đoạn công trình
được tính theo công thức:
  1 0
1 [ ]
tc
tinh x i
P c k W k a daN

        Z
Sau khi tính toán được
tc
tinh
P cho đoạn cột, giá trị này được chuyển đổi thành
tải trọng tập trung đặt tại các nút của mặt đón gió thuộc đoạn đang xét theo
nguyên tắc:
1
tc
tc tinh i
ithanh n
i
i
P a
P
a




Và tải trọng tác dụng lên nút là:
Hướng gió
b
h
Hướng gió
t/d 45
t/d 90

Assignment, Essay
2
tc
ithanh
tc
i
P
P 
* Thành phần động của tải trọng gió
Thành phần động của tải trọng gió tc
dong
P phụ thuộc vào nhiều yếu tố và có thể
chia các trường hợp sau:
+ Đối với công trình có tần số dao động riêng cơ bản f1> fL (f1, fL tính bằng Hz).
tc
dong pj j j
P =W =W×ξ ×υ
Trong đó:
Wpj: Áp lực tác dụng lên phần thứ j của công trình.
Wj: Trị số tiêu chuẩn thành phần tĩnh của áp lực gió tác dụng lên phần tử thứ j
của công trình.
j: Hệ số áp lực động của tải trọng gió ở độ cao Zj (tra Bảng 2.5), là đại lượng
không thứ nguyên.
: Hệ số tương quan không gian với áp lực động của gió (tra Bảng 2.6).
Bảng 2.5. Hệ số áp lực động 
Chiều cao Zi (m)
Hệ số áp lực động  với các dạng địa hình
A B C
 5 0.318 0.517 0.754
10 0.303 0.486 0.684
20 0.289 0.457 0.621
40 0.275 0.429 0.563

Assignment, Essay
60 0.267 0.414 0.532
80 0.262 0.403 0.511
100 0.258 0.395 0.496
150 0.251 0.381 0.468
200 0.246 0.371 0.450
250 0.242 0.364 0.436
300 0.239 0.358 0.425
350 0.236 0.353 0.416
480 0.231 0.343 0.398
Bảng 2.6. Hệ số tương quan không gian 
 (m) Hệ số tương quan không gian khi  bằng (m)
5 10 20 40 80 160 350
0.1 0.95 0.92 0.88 0.83 0.76 0.67 0.56
5 0.89 0.87 0.84 0.80 0.73 0.65 0.54
10 0.85 0.84 0.81 0.77 0.71 0.64 0.53
20 0.80 0.78 0.76 0.73 0.68 0.61 0.51
40 0.72 0.72 0.70 0.67 0.63 0.57 0.48
80 0.63 0.63 0.61 0.59 0.56 0.51 0.44
160 0.53 0.53 0.52 0.50 0.47 0.44 0.38
Trong đó  và  được xác định theo bảng 2.7.
Bảng 2.7. Bảng tra  và 
Mặt phẳng toạ độ cơ bản song
song với bề mặt tính toán
 
Zox (Đối với cột điện) (Bđáy+Bngọn)2 H

Assignment, Essay
Zoy 0.4A H
Xoy B A
tc
d
P éng=Wp=W 
+ Đối với các công trình có một số tần số dao động riêng đầu tiên f1 ....< fL <
fs thì thành phần động của tải trọng gió phải kể đến tác dụng của cả xung vận
tốc lẫn lực quán tính của công trình. Khi đó giá trị tiêu chuẩn thành phần động
của tải trọng gió Wp(ij) tác dụng lên phần tử thứ j của công trình ứng với
dạng dao động thứ i được xác định theo công thức:
1 2
2 2 2
dong
1
...
p j p j psj
n
tc
j
P W W W

  

;
Wp(ij) =Mj x i x i x yji;
Trong đó:
i: Hệ số động lực, tra đồ thị (Hình 2 TCVN 2737-1995 [3, tr.45]). Hệ
số này phụ thuộc vật liệu xây dựng công trình và vào độ giảm lôga i của dao
động.
0
1
.
940.
i
W
f



với  là hệ số độ tin cậy lấy bằng 1,2
Mj: Khối lượng của phần công trình thứ j;
yji: Dịch chuyển ngang của trọng tâm phần thứ j ứng với dạng dao động
riêng thứ i (là đại lượng không thứ nguyên);
i: Hệ số xác định bằng cách chia công trình ra thành n phần, mà trong
phạm vi mỗi phần tải trọng gió có thể coi như không đổi.

Assignment, Essay
1
2
1
n
ji Fj
j
i n
ji j
j
y W
y M
 






WFj: Giá trị tiêu chuẩn thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên
phần tử thứ j của công trình, khi chỉ kể đến ảnh hưởng của xung vận tốc gió
xác định theo công thức:
WFj = Wj. i . Sj .  (với Sj là diện tích đón gió phần thứ j)
f1, f2: Tần số dao động riêng thứ nhất, thứ hai của công trình tính bằng Hz.
fL: Tần số giới hạn phụ thuộc kết cấu và vùng áp lực gió (tra Bảng 2.8).
Bảng 2.8. Giá trị giới hạn tần số dao động riêng fL
Vùng áp lực gió
fL (Hz)
 = 0.3 (BTCT)  = 0.15 (thép)
I 1,1 3,4
II 1,3 4,1
III 1,6 5,0
IV 1,7 5,6
V 1,9 5,9
 Tính toán nội lực, ứng suất và kiểm tra bền, kiểm tra ổn định
Nội lực và ứng suất của các phần tử được xác định bằng phương pháp
phần tử hữu hạn, kết quả đưa ra là nội lực và ứng suất trong thanh, chuyển vị
tại các nút. Sau khi tính toán nội lực và chuyển vị cho toàn bộ kết cấu, vấn đề
tiếp theo là phải kiểm tra bền với từng phần tử thuộc hệ khảo sát.

Assignment, Essay
o Cấu kiện chịu kéo
Các thanh dàn nói chung làm việc theo hai phương chính là phương
trong mặt phẳng và phương ngoài mặt phẳng dàn. Với những thanh chịu nén
việc xác định chiều dài tính toán là cần thiết vì nó liên quan đến vấn đề ổn
định của thanh, còn các thanh chịu kéo thì cần phải xác định độ mảnh của nó
sao cho không quá lớn để thanh không bị cong do trọng lượng bản thân, do
chuyên chở dựng lắp [9, tr260-261] .
- Độ mảnh của phần tử thanh dàn xác định theo công thức:
min
tt
L
i


Trong đó: Ltt là chiều dài tính toán của phần tử; imin là bán kính quan tính nhỏ
nhất của tiết diện thanh, tra Bảng 21 TCVN 5575-2012 [4, tr44].
Độ mảnh có ảnh hưởng lớn đến sự làm việc của thanh. Khi độ mảnh
quá lớn thì dễ bị cong do vận chuyển, do trọng lượng bản thân hoặc do chấn
động…Vì vậy đối với thanh chịu kéo trị số độ mảnh  phải thoả mãn:
 ≤ [ K ]
Với [ K ] là độ mảnh giới hạn của thanh chịu kéo;
[ K ] = 250 đối với thanh chính và thanh xiên ở gối;
[ K ] = 350 đối với thanh giằng xiên, giằng ngang.
- Xác định ứng suất trong thanh chịu kéo:
tt
yth
tt
TH
y
th
tt
THkeo
dk
tt
keo R
W
M
F
N












1
[kG/cm2
]
Trong đó: dk: hệ số điều kiện làm việc;
Ntt
THkeo: Lực kéo tính toán của tải trọng tổ hợp gây ra;

Assignment, Essay
Mtt
yTH: Mômen tính toán theo phương 0y của tải trọng tổ hợp gây ra;
Fth: diện tích thực của tiết diện thanh;
Wyth: Mômen kháng uốn theo hướng 0y của tiết diện thanh;
Rtt
: cường độ tính toán của thép khi chịu kéo, nén, uốn.
Diện tích tiết diện thực bằng diện tích tiết diện nguyên trừ đi diện tích
giảm yếu. Diện tích giảm yếu là diện tích bị mất đi do yêu cầu chế tạo. Đối
với liên kết bulông (trừ bulông cường độ cao) khi các lỗ xếp thẳng hàng thì
diện tích giảm yếu bằng tổng lớn nhất của diện tích các lỗ tại một tiết diện
ngang bất kỳ vuông góc với chiều của ứng suất trong cấu kiện. Khi các lỗ xếp
so le thì diện tích giảm yếu lấy trị số lớn hơn trong hai trị số sau (Hình 2.3, a):
– Giảm yếu do các lỗ xếp trên đường thẳng 1-5;
– Tổng diện tích ngang của các lỗ nằm trên đường chữ chi 1-2-3-4-5
trừ đi lượng s2
t/(4u) cho mỗi đoạn đường chéo giữa các lỗ;
Trong đó:
s – bước lỗ so le, tức là khoảng cách song song với phương của lực
giữa tâm của các lỗ trên hai đường liên tiếp nhau;
t – bề dày thanh thép có lỗ;
u – khoảng đường lỗ, là khoảng cách vuông góc với phương của lực
giữa tâm các lỗ trên hai đường liên tiếp.
Đối với thép góc có lỗ trên hai cánh thì khoảng đường lỗ u là tổng các
khoảng cách từ tâm lỗ đến sống thép góc, trừ đi bề dày cánh (Hình 2.5, b).
a) b)
u
1
2
3
4
5
s s
u
u

Assignment, Essay
Hình 2.5. Cách xác định diện tích thực
o Cấu kiện chịu nén
Cấu kiện chịu nén đúng tâm được tính toán về bền và về ổn định [9,
tr43]. Thanh chịu nén ở vào trạng thái cân bằng ổn định khi ứng suất đạt giới
hạn chảy. Khi lực nén đạt tới trị số tới hạn thanh không còn thẳng nữa mà bị
uốn cong trong mặt phẳng có độ cứng nhỏ nhất ở trạng thái cân bằng cong.
Sau đó dù tải trọng chỉ tăng rất ít, thanh cũng bị cong rất nhanh và mất khả
năng chịu lực.
- Độ mảnh của phần tử xác định theo công thức:
min
tt d
L
i




Trong đó: Ltt là chiều dài tính toán của phần tử; imin là bán kính quan tính nhỏ
nhất của tiết diện thanh, tra Bảng 21 TCVN 5575-2012 [4, tr44];
d: hệ số hệ số quy đổi chiều dài tính toán của thanh phụ thuộc liên kết
hai đầu thanh, tra bảng 21,22,23 TCVN 5575-2012 [4, tr44-46].
Đối với thanh chịu nén trị số độ mảnh  phải thoả mãn:
 ≤ [ n ]
Với [ n ] là độ mảnh giới hạn của thanh chịu nén;
[ N ]=120 đối với thanh chính và thanh xiên ở gối truyền phản lực tại gối;
[ N ]=180 đối với thanh giằng xiên, ngang có cương độ làm việc đến 100%.
[ N ]=200 đối với thanh giằng xiên, ngang có cương độ làm việc đến 50%.
- Xác định ứng suất trong thanh chịu nén:
tt
ng
lt
tt
nen
TH
dk
tt
nen R
F
N















1
[kG/cm2]

Assignment, Essay
Trong đó:
dk: hệ số điều kiện làm việc;
Ntt
TH nen: Lực nén tính toán của tải trọng tổ hợp gây ra;
Fng: diện tích nguyên của tiết diện thanh;
Rtt
: cường độ tính toán của thép khi chịu kéo, nén, uốn;
lt: hệ số giảm cường độ khi thanh chịu nén lệch tâm, phụ thuộc vào độ
mảnh tương đương quy ước ( E
R /

  ) và vào độ lệch tâm quy đổi (m1)
của cấu kiện cột. Độ lệch tâm quy đổi được xác định theo công thức sau:
m1 =  m
Trong đó:
- : Hệ số ảnh hưởng hình dạng của tiết diện phụ thuộc  và m (tra
bảng D9-Phụ lục D TCVN 5575-2012 [4, tr.110-112]. Đối với kết cấu cột
thép không gian  = 1).









ng
y
ng
y
tt
nen
TH
tt
yTH
W
F
N
M
m
m1
Từ độ mảnh  và độ lệch tâm quy đổi m1 người ta lập thành Bảng 2.9
để xác định lt.

Luận Văn Group viết thuê luận văn thạc sĩ,chuyên đề,khóa luận tốt nghiệp, báo cáo thực tập, Assignment, Essay
Bảng 2.9. Giá trị lt để kiểm tra độ ổn định của thanh chịu nén lệch tâm

Hệ số lt: khi độ lệch tâm quy đổi m1
0.1 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 8 9 10 12 14 17 20
0.5 967 922 850 782 722 669 620 577 538 469 417 370 337 307 280 260 237 222 210 183 164 150 125 106 90 77
1.0 925 854 787 711 653 600 563 520 484 427 382 341 307 283 259 240 225 209 196 175 157 142 121 103 86 74
1.5 875 804 716 647 593 548 507 470 439 388 347 312 283 262 240 223 207 195 182 163 148 134 114 99 82 70
2.0 813 742 653 587 536 496 457 425 397 352 315 286 260 240 222 206 193 182 170 153 138 125 107 94 79 67
2.5 742 672 587 526 480 442 410 383 357 317 287 262 238 220 204 190 178 168 158 144 130 118 101 90 76 65
3.0 667 597 520 465 425 395 365 342 320 287 260 238 217 202 187 175 166 156 147 135 123 112 97 86 73 63
3.5 587 522 455 408 375 350 325 303 287 258 233 216 198 183 172 162 153 145 137 125 115 106 92 82 69 60
4.0 505 447 394 356 330 309 289 270 256 232 212 197 181 168 158 149 140 135 127 118 108 98 88 78 66 57
4.5 418 382 342 310 288 272 257 242 229 208 192 178 165 155 146 137 130 125 118 110 101 93 83 75 64 55
5.0 354 326 295 273 253 239 225 215 205 188 175 162 150 143 135 126 120 117 111 103 95 88 79 72 62 53
5.5 302 280 256 240 224 212 200 192 184 170 158 148 138 132 124 117 112 108 104 95 89 84 75 69 60 51
6.0 258 244 223 210 198 190 178 172 166 153 145 137 128 120 115 109 104 100 96 89 84 79 72 66 57 49
6.5 223 213 196 185 176 170 160 155 149 140 132 125 117 112 106 101 97 94 89 83 80 74 68 62 54 47
7.0 194 186 173 163 157 152 145 141 136 127 121 115 108 102 98 94 91 87 83 78 74 70 64 59 52 45
8.0 152 146 138 133 128 121 117 115 113 106 100 95 91 87 83 81 78 76 74 68 65 62 57 53 47 41
9.0 122 117 112 107 103 100 98 96 93 88 85 82 79 75 72 69 66 65 64 61 58 55 51 48 43 38
10.0 100 97 93 91 90 85 81 80 79 75 72 70 69 65 62 60 59 58 57 55 52 49 46 43 39 35
11.0 83 79 77 76 75 73 71 69 68 63 62 61 60 57 55 53 52 51 50 48 46 44 40 38 35 32
12.0 69 67 64 63 62 60 59 59 58 55 54 53 52 51 50 49 48 47 46 44 42 40 37 35 32 29
13.0 62 61 54 53 52 51 51 50 49 49 48 48 47 45 44 43 42 41 41 39 38 37 35 33 30 27
14.0 52 49 49 48 48 47 47 46 45 44 43 43 42 41 40 40 39 39 38 37 36 36 34 32 29 26

Luận Văn Group viết thuê luận văn thạc sĩ,chuyên đề,khóa luận tốt nghiệp, báo cáo thực tập, Assignment, Essay
Trị số lt trong bảng đã được tăng lên 1000 lần

Assignment, Essay
 Tính toán liên kết
a. Các loại liên kết
- Liên kết hàn
Loại liên kết này thường chỉ ứng dụng cho những công trình có độ cao
thấp hoặc sử dụng để liên kết từng phần nhỏ của công trình thành các Module
tiêu chuẩn (những đoạn chế sẵn có thể dễ dàng vận chuyển và lắp dựng).
- Liên kết đinh tán
Loại liên kết này rất vững chắc, có khả năng chịu lực cao, độ bền theo
thời gian tốt nhưng khó gia công (nhất là đối với công trình có độ cao lớn).
Đinh tán được áp dụng nhiều cho các công trình dạng cầu, dàn thép và một số
công trình có thiết kế đặc biệt (tháp Eiffel, nhà cao tầng kiểu cũ...); Liên kết
này khi lắp đặt đòi hỏi phải nung nóng đinh tán đến nhiệt độ cao; phải có búa
tán đầu đinh; không thuận lợi cho việc sửa chữa, thay thế các cấu kiện nên
đến nay ít được sử dụng.
- Liên kết bulông
Đây là loại liên kết hiện được sử dụng phổ biến nhất trong thiết kế cột
điện thép. Trước đây khi chưa có bulông cường độ cao thì việc sử dụng
bulông thường sẽ phải chọn loại đường kính lớn, số lượng lớn dẫn đến tăng
đáng kể trọng lượng kết cấu.
Bulông cường độ thấp không thể dùng tăng quá cao mô men siết, do
vậy kết cấu theo thời gian dễ bị hiện tượng tự lỏng, kết cấu dễ bị xô lệch –
giảm khả năng chịu lực của kết cấu (có thể khắc phục bằng sử dụng long đen
vênh, tăng số lượng đai ốc, tăng chiều sâu ren... nhưng lại dẫn đến những bất
lợi khác đó là làm tăng trọng lượng kết cấu.

Assignment, Essay
Bulông cường độ cao khắc phục được hầu hết các nhược điểm nêu trên
của bulông thường nên thường được áp dụng cho hều hết các thiết kế kết cấu
cột điện thép hiện nay.
Bulông phổ thông dùng cho kết cấu thép phải phù hợp với các yêu cầu
của TCVN 1916:1995 [2]. Cấp độ bền của bulông chịu lực phải từ 4,6 trở lên.
Bulông cường độ cao phải tuân theo các quy định riêng tương ứng. Cường độ
tính toán của liên kết một bulông được xác định theo các công thức ở Bảng
2.10.
Trị số cường độ tính toán chịu cắt và kéo của bulông theo cấp độ bền
của bulông cho trong Bảng 2.10. Cường độ tính toán chịu ép mặt của thép
trong liên kết bulông cho trong bảng 2.11.
Bảng 2.10. Cường độ tính toán của liên kết một bulông
Trạng thái
làm việc
Ký
hiệu
Cường độ chịu cắt và kéo của bulông
ứng với cấp độ bền
Cường độ chịu ép mặt
của cấu kiện thép có
giới hạn chảy dưới
440 N/mm2
4.6;5.6; 6.6 4.8; 5.8 8.8; 10.9
Cắt fvb fvb = 0,38 fub fvb = 0,4 fub fvb = 0,4 fub –
Kéo ftb ftb = 0,42 fub ftb = 0,4 fub ftb = 0,5 fub –
Ép mặt:
a) Bulông
tinh fcb
– – –
u
u
cb f
E
f
f 






 410
6
,
0
b) Bulông thô
và bulông
thường
– – –
u
u
cb f
E
f
f 






 340
6
,
0
Bảng 2.11. Cường độ tính toán chịu cắt và kéo của bulông
Đơn vị tính: N/mm2

Assignment, Essay
Trạng thái làm
việc
Ký
hiệu
Cấp độ bền
4.6 4.8 5.6 5.8 6.6 8.8 10.9
Cắt fvb 150 160 190 200 230 320 400
Kéo ftb 170 160 210 200 250 400 500
Bảng 2.12. Cường độ tính toán chịu ép mặt của bulông fcb
Đơn vị tính: N/mm2
Giới hạn bền kéo đứt của
thép cấu kiện được liên kết
Giá trị fcb
Bulông tinh Bulông thô và thường
340
380
400
420
440
450
480
500
520
540
435
515
560
600
650
675
745
795
850
905
395
465
505
540
585
605
670
710
760
805
b. Tính toán liên kết bu lông
Bulông thường

Assignment, Essay
Khi liên kết bulông chịu tác dụng của lực dọc N đi qua trọng tâm chịu
kéo của liên kết thì lực phân phối lên các bulông coi như đều nhau. Khả năng
chịu lực tính toán của một bulông được tính như sau:
- Khả năng chịu cắt:
 
N f An
vb vb b v
 
- Khả năng chịu ép mặt:
 
N f d t
cb cb b
  
- Khả năng chịu kéo:
 
N f A
tb tb b bn
 
Trong đó:
fvb, fcb, ftb: Lần lượt là cường độ tính toán chịu cắt, chịu ép mặt và chịu
kéo của bulông;
d: Đường kính ngoài của bulông;
A = πd2
/4 là diện tích tiết diện tính toán của thân bulông;
A
bn
: Diện tích tiết diện thực của thân bulông, tra Bảng 2.13;
Bảng 2.13. Diện tích tiết diện của bulông A, Abn
TCVN 1916:1995
D, mm
16 18 20 22 24 27 30 36 42 48
Bước ren
p, mm
2 2,5 2,5 2,5 3 3 3,5 4 4,5 5
A
Abn
2,01
1,57
2,54
1,92
3,14
2,45
3,80
3,03
4,52
3,52
5,72
4,59
7,06
5,6
10,17
8,16
13,85
11,2
18,09
14,72
t
 : Tổng chiều dài nhỏ nhất của các bản thép cùng trượt về một hướng;
Nv: Số lượng các mặt cắt tính toán;
b: Hệ số điều kiện làm việc của liên kết bulông, tra Bảng 3.8 TCVN 5575-
2012 [4, tr66];

Assignment, Essay
- Số lượng bulông trong liên kết khi chịu lực dọc N tính theo công thức:
 min c
N
N
N


Trong đó: Nmin là giá trị nhỏ nhất trong các khả năng chịu lực của một
bulông.
Khi tác dụng của mô men gây trượt các cấu kiện được liên kết thì lực
phân phối cho các bulông tỷ lệ với khoảng cách từ trọng tâm của liên kết đến
bulông khảo sát.
Bulông chịu kéo và cắt đồng thời thì được kiểm tra chịu kéo và cắt
riêng biệt. Bulông chịu cắt do tác dụng đồng thời của lực dọc và mô men
được kiểm tra theo hợp lực của nội lực thành phần.
Khi các cấu kiện được liên kết với nhau qua cấu kiện trung gian, hoặc
khi dùng bản nối ở một phía thì số lượng bulông phải tăng thêm 10% so với
tính toán.
Bulông cường độ cao
Liên kết bulông cường độ cao được tính toán với giả thiết là nội lực
trong liên kết được truyền bằng ma sát nảy sinh trên mặt tiếp xúc của các cấu
kiện được nối do lực xiết bulông. Lực trượt tính toán mà mỗi mặt ma sát của
các cấu kiện được liên kết có thể chịu được khi xiết một bulông cường độ cao
được tính theo công thức:
  1
2
hb b bn
b
b
f A
N
 


Trong đó:
fhb: Cường độ tính toán chịu kéo của bulông cường độ cao trong liên
kết truyền lực bằng ma sát được xác định theo công thức fhb = 0,7fub. Cường

Assignment, Essay
độ kéo đứt tiêu chuẩn fub của thép làm bulông cường độ cao cho trong bảng
B.5, phụ lục B TCVN 5575-2012 [4, tr.96];
µ: Hệ số ma sát, tra Bảng 39 TCVN 5575-2012 [4, tr.68];
b2: Hệ số độ tin cậy, tra Bảng 39 TCVN 5575-2012 [4, tr.68];
A
bn
: Diện tích tiết diện thực của thân bulông, tra Bảng B4 Phụ lục B
TCVN 5575-2012 [4, tr.96];
b1: Hệ số điều kiện làm việc của liên kết, phụ thuộc số lượng bulông
chịu lực na trong liên kết: b1=0,8 nếu na <5;
b1=0,9 nếu 5<na <10;
b1=1 nếu na >10.
- Số lượng bulông cường độ cao cần thiết để chịu lực dọc N được tính
theo công thức:
 
a
f b c
N
N
n N


Trong đó nf là số lượng mặt ma sát của liên kết.
Lực kéo trong thân bulông do xiết ecu gây nên là: P = fhbAbn
Bulông neo
Cường độ tính toán chịu kéo của bulông neo fba được xác định theo
công thức fba = 0,4 fub. Trị số cường độ tính toán chịu kéo của bulông neo cho
trong Bảng 2.14.
Bảng 2.14. Cường độ tính toán chịu kéo của bulông neo (N/mm2
)
Đường kính
bulông, mm
Làm từ thép mác
CT38 16MnSi 09Mn2Si
12 32 150 192 190

Assignment, Essay
Đường kính
bulông, mm
Làm từ thép mác
CT38 16MnSi 09Mn2Si
33 60
61 80
81 140
150
150
150
190
185
185
185
180
165
2.2. Bài toán thiết kế hợp lý
2.2.1. Thiết kế kết cấu theo thanh đồng dạng
Trong tính toán thiết kế kết cấu cột thép dạng thanh dàn, việc lựa chọn
thanh đồng dạng có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Nó ảnh hưởng đến khả năng
chế tạo cũng như gia công lắp dựng kết cấu ngoài hiện trường. Nếu số lượng
loại thanh đồng dạng lớn sẽ tối ưu được khối lượng kết cấu cao tuy nhiên quá
trình gia công lắp dựng sẽ rất phức tạp bởi số chủng loại thanh nhiều sẽ khó
phân biệt. Ngược lại nếu số lượng loại thanh đồng dạng ít thì việc gia công
lắp dựng sẽ rất thuận lợi tuy nhiên khối lượng kết cấu và giá thành sẽ tăng.
Việc xác định loại thanh đồng dạng phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Các
thanh có chiều dài giống nhau, cùng tư thế làm việc, cùng độ cao, được thiết
kế giống nhau (cùng nhóm thanh) để giảm thiểu số lượng chủng loại thanh.
Việc xác định thanh đồng dạng, điển hình hóa kết cấu sẽ đem lại nhiều lợi ích
trong quá trình chế tạo, lắp dựng và sử dụng sau này, đó là:
- Về mặt thiết kế, tránh được thiết kế lặp lại, có thể nghiên cứu được
các dạng kết cấu tối ưu, lợi về mặt vật liệu và giá thành.
- Về mặt chế tạo có thể chế tạo hàng loạt lớn các cấu kiện, đo đó tạo
điều kiện sử dụng những thiết bị chuyên dùng, tăng năng suất lao động và
giảm thời gian chế tạo.

Assignment, Essay
- Việc dựng lắp ngoài hiện trường cũng sẽ đơn giản và dễ dàng hơn rất
nhiều do dễ quản lý và phân loại các cấu kiện. Mỗi nhóm thanh đồng dạng sẽ
cho biết được sơ bộ vị trí, cao trình cụ thể cần lắp dựng trong kết cấu. Vì vậy
người công nhân khi lắp dựng sẽ dễ tìm và nhận biết vị trí cần lắp đặt.
Giải thuật cho việc tìm và thiết kế tiết diện, liên kết cho nhóm thanh
đồng dạng thông qua thanh đại diện, được trình bày trong sơ đồ khối hình 2.7
dưới đây:
Hình 2.6. Sơ đồ khối giải thuật chọn và thiết kế thanh đồng dạng.
2.2.3.1. Bài toán hợp lý hóa khối lượng kết cấu
Hợp lý hóa khối lượng kết cấu thực chất là bài toán tìm tập hợp các giá
trị nhỏ nhất của diện tích mặt cắt ngang các thanh dàn để khối lượng kết cấu
là nhỏ nhất nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu lực, đồng thời đảm bảo cả yếu
tố đơn giản, thuận tiện trong gia công, lắp dựng.
Để đạt được mục tiêu là khối lượng kết cấu nhỏ nhất, một cách tối ưu
nhất là tính riêng cho từng thanh dàn. Tuy nhiên trong thực tế không bao giờ
làm được như vậy. Khi đó kết cấu sẽ trở nên quá phức tạp trong chế tạo và thi
công lắp dựng. Vậy thay vì tối ưu, người ta đưa ra hàm mục tiêu là hợp lý hóa
khối lượng kết cấu để khối lượng tổng thể của kết cấu có thể đạt đủ nhỏ
nhưng vẫn đảm bảo yếu tố đơn giản, dễ chế tạo và gia công lắp dựng. Vì vậy
thay vì tính toán thiết kế riêng cho từng thanh, ta phân loại kết cấu để chọn ra
- Khai báo, số liệu nút, phần
tử, tiết diện, vật liệu, tải trọng,
LK... cho cột thép;
- Tính toán nội lực và chuyển
vị cho các nút, phần tử
- Nhận dạng các thanh đồng
dạng (cùng độ dài, tiết diện,
cao độ), xếp thành nhóm.
- Chọn các trị số nội lực,
chuyển vị cực đại trong các
thanh thuộc nhóm làm số
liệu thiết kế chung cho cả
nhóm.
- Thiết kế tiết diện, liên kết cho
thanh đại diện của mỗi nhóm.
- thay thế tiết diện, liên kết đã
TK cho từng thanh trong nhóm;
- Tính toán lại kết cấu theo sơ
đồ tính mới.

Assignment, Essay
từng nhóm thanh đồng dạng, đó là các thanh có chiều dài giống nhau, cùng tư
thế làm việc, cùng độ cao. Trong từng nhóm thanh đồng dạng đó ta chọn ra trị
số nội lực, chuyển vị bất lợi nhất để thiết kế, gọi là thiết kế cho thanh đại diện.
Với các thiết kế này, các thanh trong cùng nhóm đều có thể lắp lẫn với nhau,
đảm bảo yếu tố đơn giản, thuận tiện và hợp lý trong thi công lắp dựng.
2.2.3.2. Các yếu tố gia công và lắp dựng
Các kết cấu cột dàn thép ở nước ta hiện nay sản xuất chủ yếu theo
phương pháp thủ công, hàn điện bằng tay, chế tạo riêng từng thanh. Kết cấu
thép phải được thiết kế sao cho phù hợp với việc chế tạo tại công xưởng, giảm
số lượng, chủng loại thanh, từ đó giảm chi phí gia công chế tạo. Các chi tiết
đồng dạng được chế tạo hàng loại tại nhà máy, được đánh số theo nhóm, sau
đó vận chuyển đến nơi dựng lắp.
Thực tế thi công ở nước ta hiện nay, các kết cấu cột thép dạng thanh,
dàn được lắp dựng theo cách thủ công hoặc kết hợp đôi chút với cơ giới.
Thông thường một hoặc một vài đoạn tháp bên dưới được lắp thủ công ở bên
ngoài mặt bằng rồi dùng cần cẩu để đặt vào đỉnh móng. Các đoạn còn lại bên
trên được lắp thủ công từng thanh, điều đó đòi hỏi độ chính xác cao trong chế
tạo cấu kiện, vì vậy mọi chi tiết chế tạo đều phải đơn giản, gọn nhẹ.
Cần lưu ý là nhằm cố định tiết diện mặt bên, tăng khả năng chống xoắn
trong thi công, nhằm cố định tim cốt cho chân của mỗi đoạn thì việc tiếp tục
lắp đoạn trên chỉ được thực hiện sau khi vách ngang của đoạn dưới đã đủ
cứng, tim trùng nhau và cốt đỉnh của các thanh cánh thăng bằng.
dễ dàng, thuận tiện.

Assignment, Essay
Các liên kết trong cùng một loại cấu kiện thường chỉ nên sử dụng cùng
một loại đường kính bulông. Trong phạm vi toàn công trình để đỡ phức tạp
nên hạn chế tối đa bulông có đường kính khác nhau, tổng số loại bulông thiết
kế cho một cột thường chỉ từ 3  5 loại.
Các bulông được bố trí thành một hoặc hai hàng để đảm bảo tính chất
cân tải cho mỗi bulông. Hình thức bố trí bulông liên kết quyết định mô hình
tính toán cột là thanh 2 đầu ngàm hoặc thanh 2 đầu khớp.
2.2.2. Thuật toán và trình tự giải bài toán
Mô hình tính toán, luận văn đề nghị là mô hình coi tất cả các thanh dàn
của kết cấu cột thép là phần tử thanh không gian 3D, có liên kết hai đầu thanh
là liên kết nút cứng. Liên kết chân cột với móng là liên kết ngàm hoặc khớp.
Trên cơ sở các lý thuyết PTHH, thuật toán tìm và thiết kế nhóm thanh
đồng dạng đã trình bày ở phần trên, luận văn sử dụng phần mềm chuyên dụng
mang tên TOWER là phần mềm do PGS.TS Trần Nhất Dũng và KS. Lỗ Bá
Thọ thiết kế và lập trình. Đây cũng là phần mềm đã và đang được một số số
đơn vị thiết kế kết cấu thép thuộc ngành điện lực sử dụng để tính toán, thiết kế
các công trình dạng cột tải điện cho lãnh thổ Việt Nam.
2.3. Phần mềm chuyên dụng Tower
2.3.1. Giới thiệu chung về phần mềm chuyên dụng
TOWER là chương trình tính kết cấu cột thép theo mô hình không gian,
được thiết kế và lập trình bởi các tác giả Trần Nhất Dũng và Lỗ Bá Thọ. Phần
mềm có thể giải bài toán kết cấu dàn, cột, trụ tháp theo mô hình không gian,
chịu tác dụng của tải trọng tĩnh và động. Các thành phần tĩnh và động của tải
trọng gió được xác định theo TCVN 2737-1995, nội lực và tổ hợp nội lực

Assignment, Essay
theo TCVN và các tiêu chuẩn hiện hành thuộc quy chuẩn xây dựng của Việt
Nam.
TOWER là phần mềm chuyên dụng, có các hàm công cụ và module
được thiết kế riêng cho bài toán xác định thanh đồng dạng; tính toán ứng suất;
thiết kế bu lông và tính toán hợp lý hóa thiết kế theo nội dung nghiên cứu của
đề tài luận văn. Các thành phần tĩnh và động của tải trọng gió có thể được
TOWER tự động xác định và định nghĩa thành các tải trọng nút. Đây cũng là
ưu điểm nổi bật của phần mềm này so với các phần mềm PTHH hiện có.
Hình 2.7. Giao diện chính của phần mềm Tower.
Sơ đồ khối của TOWER được trình bày trong hình 2.8.

Assignment, Essay
Nếu sai
Nếu đúng
Có lỗi
Đúng
Đúng
GIẢI BÀI TOÁN
+ Tính toán MTĐC, MTKL và các biến dạng tổng quát
của toàn hệ. Xác định vec tơ tải trọng;
+ Giải hệ phương trình, xác định chuyển vị nút;
+ Tính toán nội lực cho mỗi phần tử
+ Tính toán độ mảnh, ứng suất phần tử và kiểm tra
bền, kiểm tra ổn định theo TCVN;
+ Tính toán phân loại nhóm thanh đồng dạng, kiểm tra
bền, ổn định... theo nhóm thanh đồng dạng;
+ Hiệu chỉnh số liệu TD, VL… cho nhóm thanh (nếu
cần);
+ Kiểm tra các điều kiện dừng tính (số lần đã tính
toán? kết quả hiện tính so với lượt tính trước?)
+ Tính toán LK theo nhóm PT
+ Xuất kết quả tính toán.
TIẾPTỤC TÍNHTOÁN
Tính sang bài toán mới hoặc
chọn PA tính khác
THOÁT KHỎI CHƯƠNGTRÌNH
Đóng File, giải phóng bộ nhớ
KẾT THÚCCHƯƠNGTRÌNH
Trở về môi trường Windows
RA MÁY IN
RA MÀN HÌNH
RA FILE TRÊN ĐĨA
BẮT ĐẦU CHƯƠNG TRÌNH
+ Khai báo các khối cơ sở dữ liệu
+ Đặt các biến môi trường
+ Đọc các giá trị ngầm định
NHẬP SỐ LIỆU
+ Nhập bài toán mới
+ Mở lại bài toán cũ (từ File)
+ Phát sinh nút, phần tử theo các mẫu…
+ Nhập số liệu TD, VL, tải trọng …
HIỆUCHỈNH SỐ LIỆUNHẬP
(Thôngqua cácDIALOG)
Kiểm tra tính Logic
của số liệu nhập

Assignment, Essay
Hình 2.8. Sơ đồ khối của chương trình Tower.
2.3.2. Các tính năng chủ yếu
TOWER có thể giải được các bài toán với số lượng nút, số lượng phần
tử lên đến nhiều ngàn; có thể tính giải các bài toán chịu tác dụng của tải trọng
tĩnh và động. Chương trình tính của phần mềm được xây dựng với các nhiệm
vụ sau:
- Có thể tính toán tĩnh và động hệ kết cấu cột thép dạng thanh dàn theo mô
hình không gian.
- Giải được các bài toán trị riêng véc tơ riêng để xác định tần số và các dạng
dao động riêng cho kết cấu công trình.
- Có khả năng tính toán nội lực, ứng suất cho từng phần tử thuộc hệ khảo sát.
- Có khả năng phân loại các thanh theo nhóm và thiết kế tiết diện cho nhóm
thanh thông qua thanh đại diện.
- Có thể thiết kế tính toán liên kết cho thanh hoặc nhóm thanh theo TCVN.
- Có khả năng phát sinh số liệu mạnh mẽ.
- Có tốc độ tính toán nhanh, đòi hỏi thấp về cấu hình máy tính.
Kết luận chương 2
Chương 2 đã đưa ra mô hình bài toán tính kết cấu cột thép dạng thanh,
dàn và phương pháp tính toán các cấu kiện, liên kết được sử dụng trong kết
cấu. Chương 2 cũng trình bày về các lý thuyết chung cũng như thuật toán cơ
bản để giải bài toán hợp lý hóa khối lượng kết cấu có kể đến yếu tố gia công,
lắp dựng.

Hợp lý hóa khối lượng kết cấu cột thép dạng thanh dàn, có tính đến yếu tố gia công lắp dựng

Hợp lý hóa khối lượng kết cấu cột thép dạng thanh dàn, có tính đến yếu tố gia công lắp dựng

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Hợp lý hóa khối lượng kết cấu cột thép dạng thanh dàn, có tính đến yếu tố gia công lắp dựng

Similar to Hợp lý hóa khối lượng kết cấu cột thép dạng thanh dàn, có tính đến yếu tố gia công lắp dựng (20)

More from lamluanvan.net Viết thuê luận văn

More from lamluanvan.net Viết thuê luận văn (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Hợp lý hóa khối lượng kết cấu cột thép dạng thanh dàn, có tính đến yếu tố gia công lắp dựng