TCVN 5575 : 2023 – Thiết kế kết cấu thép (Dự thảo)
Design of steel structures
1 Phạm vi áp dụng
Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu và áp dụng để thiết kế và tính toán kết cấu thép của nhà và công trình có các chức năng khác nhau, làm việc ở nhiệt độ không cao hơn 100 °C và không thấp hơn âm 60 °C.
Tiêu chuẩn này không áp dụng để thiết kế kết cấu thép của cầu, đường hầm giao thông và ống dưới đất lấp.
Khi thiết kế kết cấu thép làm việc trong các điều kiện đặc biệt (ví dụ kết cấu lò cao, các đường ống dẫn chính và đường ống công nghệ; các bể chứa có chức năng đặc biệt; kết cấu nhà chịu tác động động đất, tác động mạnh của lửa, nhiệt độ, phóng xạ, môi trường xâm thực; kết cấu các công trình thủy điện, khai khoáng), kết cấu nhà và công trình đặc thù, nhà của các nhà máy điện nguyên tử, cũng như các kết cấu đặc biệt (ví dụ kết cấu ứng suất trước, kết cấu không gian, kết cấu treo, kết cấu thành mỏng), cần tuân thủ các yêu cầu nêu trong các tiêu chuẩn tương ứng mà trong đó phản ánh các đặc thù về sự làm việc của các kết cấu này.
2 Tài liệu viện dẫn
Các tài liệu viện dẫn sau cần thiết cho việc áp dụng tiêu chuẩn này. Đối với các tài liệu viện dẫn ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản được nêu. Đối với các tài liệu viện dẫn không ghi năm công bố thì áp dụng phiên bản mới nhất, bao gồm cả các sửa đổi, bổ sung (nếu có).
TCVN 134:1977, Vòng đệm – Yêu cầu kỹ thuật;
TCVN 1916:1995, Bu lông, vít, vít cấy và đai ốc – Yêu cầu kỹ thuật;
TCVN 1961:1975, Mối hàn – Hàn hồ quang điện bằng tay – Kiểu, kích thước cơ bản;
TCVN 2362:1993, Dây thép hàn;
TCVN 2737:2023, Tải trọng và tác động – Tiêu chuẩn thiết kế;
TCVN 3223:2000, Que hàn điện dùng cho thép các bon thấp và thép hợp kim thấp – Ký hiệu, kích thước và yêu cầu kỹ thuật chung;
TCVN 5017-1:2010 (ISO 857-1:1998), Hàn và các quá trình liên quan – Từ vựng – Phần 1: Các quá trình hàn kim loại;
TCVN 5574:2018, Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép;
TCVN 6283-1:1997 (ISO 1035/1:1980), Thép thanh cán nóng – Phần 1: Kích thước của thép tròn;
TCVN 6283-2:1997 (ISO 1035/2:1980), Thép thanh cán nóng – Phần 1: Kích thước của thép vuông;
TCVN 6283-3:1997 (ISO 1035/3:1980), Thép thanh cán nóng – Phần 1: Kích thước của thép dẹt;
TCVN 6522:2018 (ISO 4995:2014), Thép tấm mỏng cán nóng chất lượng kết cấu;
TCVN 6523:2018 (ISO 4996:2014), Thép tấm mỏng cán nóng chất lượng kết cấu có giới hạn chảy cao;
TCVN 6524:2018 (ISO 4997:2015), Thép cacbon tấm mỏng cán nguội chất lượng kết cấu;
TCVN 7571-1:2019, Thép hình cán nóng – Phần 1: Thép góc cạnh đều;
TCVN 7571-2:2019, Thép hình cán nóng – Phần 2: Thép góc cạnh không đều;
TCVN 7571-11:2019, Thép hình cán nóng – Phần 11: Thép chữ U;
TCVN 7571-15:2019, Thép hình cán nóng – Phần 15: Thép chữ I;
TCVN 7571-16:2019, Thép hình cán nóng – Phần 16: Thép chữ H;
TCVN 7858:2018 (ISO 3574:2012), Thép cacbon tấm mỏng cán nguội chất lượng thương mại và chất lượng dập vuốt;
TCVN 8590-1:2010 (ISO 4301-1:1986), Cần trục – Phân loại theo chế độ làm việc – Phần 1: Yêu cầu chung;
TCVN 9362:2012, Tiêu chuẩn thiết kế nền nhà và công trình;
TCVN 9379:2012, Kết cấu xây dựng và nền – Nguyên tắc cơ bản về tính toán;
TCVN 9386:2012, Thiết kế công trình chịu động đất;
TCVN 9986-2:2013 (ISO 630-2:2011), Thép kết cấu – Phần 2: Điều kiện kỹ thuật khi cung cấp thép kết cấu thông dụng;
TCVN 9986-3:2014 (ISO 630-3:2012), Thép kết cấu – Phần 2: Điều kiện kỹ thuật khi cung cấp thép kết cấu hạt mịn;
TCVN 11227-1:2015 (ISO 10799-1:2011), Thép kết cấu hàn, mặt cắt rỗng tạo hình nguội từ thép không hợp kim và thép hạt mịn – Phần 1: Điều kiện kỹ thuật khi cung cấp;
TCVN 11227-2:2015 (ISO 10799-2:2011), Thép kết cấu hàn, mặt cắt rỗng tạo hình nguội từ thép không hợp kim và thép hạt mịn – Phần 2: Kích thước và đặc tính mặt cắt;
TCVN 11228-1:2015 (ISO 12633-1:2011), Thép kết cấu rỗng được gia công nóng hoàn thiện từ thép không hợp kim và thép hạt mịn – Phần 1: Điều kiện kỹ thuật khi cung cấp;
TCVN 11228-2:2015 (ISO 12633-2:1991), Thép kết cấu rỗng được gia công nóng hoàn thiện từ thép không hợp kim và thép hạt mịn – Phần 2: Kích thước và đặc tính mặt cắt;
TCVN 11232:2015 (ISO 5951:2013), Thép lá cán nóng giới hạn chảy cao và tạo hình tốt;
TCVN 11372:2016 (ISO 7778:2014), Đặc tính theo chiều dày đối với sản phẩm thép;
TCVN 11376:2016 (ISO 3573:2012), Thép lá cacbon cán nóng chất lượng thương mại và chất lượng kéo;
TCVN 12002-1:2020, Thi công kết cấu thép – Phần 1: Chế tạo và kiểm tra chất lượng;
TCVN 12002-2:2020, Thi công kết cấu thép – Phần 2: Lắp dựng và nghiệm thu;
TCVN 12251:2020, Bảo vệ chống ăn mòn cho công trình;
ISO 2560, Welding consumables – Covered electrodes for manual metal arc welding of non-alloy and fine grain steels – Classification (Vật liệu hàn – Que hàn có vỏ bọc dùng cho hàn hồ quang tay thép không hợp kim và thép hạt mịn – Phân loại);
ISO 4032:2012, Hexagon regular nuts (style 1) – Product grades A and B (Đai ốc sáu cạnh thường (kiểu 1) – Sản phẩm cấp A và B);
3 Thuật ngữ, định nghĩa và ký hiệu
3.1 Thuật ngữ và định nghĩa
Tiêu chuẩn này sử dụng các thuật ngữ và định nghĩa theo TCVN 5017-1:2010 (ISO 857-1:1998) và các thuật ngữ định nghĩa sau:
3.1.1
Các hệ số độ tin cậy (các hệ số an toàn) (partial factors)
Các hệ số kể đến các sai lệch bất lợi có thể có của các giá trị tải trọng, các đặc trưng vật liệu và sơ đồ tính toán công trình xây dựng do điều kiện sử dụng thực tế của nó, cũng như kể đến mức độ tầm quan trọng của các công trình xây dựng. Có 4 loại hệ số độ tin cậy: hệ số độ tin cậy về tải trọng, hệ số độ tin cậy về vật liệu, hệ số điều kiện làm việc, hệ số độ tin cậy về tầm quan trọng của công trình.
[TCVN 5574:2018, 3.1.2].
3.1.2
Cấu kiện được liên kết (connected member)
Bất kỳ cấu kiện nào được nối với cấu kiện hoặc chi tiết đỡ.
3.1.3
Cấu kiện tiết diện không đổi (uniform member)
Cấu kiện với tiết diện ngang không đổi dọc theo toàn bộ chiều dài của nó.
3.1.4
Chiều dài tính toán của cấu kiện (thanh) (effective length of a element)
Chiều dài quy ước của thanh một nhịp mà lực tới hạn của nó khi có liên kết khớp hai đầu cũng
bằng lực tới hạn của thanh đang xét.
3.1.5
Dầm hai loại thép (hybrid girder)
Dầm có các bản cánh và bản bụng làm từ các loại thép khác nhau; tiêu chuẩn này giả thiết là
cường độ của thép bản cánh cao hơn của thép bản bụng.
3.1.6
Khả năng chịu lực (load bearing capacity)
Hệ quả tác động lớn nhất xuất hiện trong công trình xây dựng mà không vượt quá các trạng thái
giới hạn.
[TCVN 5574:2018, 3.1.20].
3.1.7
Kết cấu hàn
Kết cấu được chế tạo bằng phương pháp hàn.
3.1.8
Liên kết (connection)
Vị trí giao nhau của hai hay nhiều cấu kiện. Với mục đích thiết kế thì nó là tổ hợp của các bộ
phận cơ bản cần để biểu diễn ứng xử trong quá trình truyền nội lực và mô men tương ứng tại
liên kết.
3.1.9
Nút (joint)
Vùng giao nhau của hai hay nhiều cấu kiện. Khi tính toán, nút là tổ hợp của các bộ phận cơ bản
cần để biểu diễn ứng xử của nút trong quá trình truyền các nội lực và mô men tương ứng giữa
các cấu kiện được liên kết.
3.1.10
Ô bản (subpanel)
Một phần của bản không tăng cứng, được bao bởi các cánh và/hoặc các sườn cứng.
3.1.11
Sườn cứng (stiffener)
Bản hoặc tiết diện định hình được liên kết với bản để chống mất ổn định cục bộ (oằn) hoặc tăng
cứng cho tấm; sườn cứng được coi là:
– Sườn cứng dọc, nếu phương của nó song song với cấu kiện;
– Sườn cứng ngang, nếu phương của nó vuông góc với cấu kiện.
3.1.12
Trạng thái giới hạn (limit state)
Trạng thái mà khi vượt quá các thông số đặc trưng của nó thì việc sử dụng kết cấu hoặc là không được phép, hoặc bị gây khó khăn hoặc không còn phù hợp.
[TCVN 5574:2018, 3.1.34].
3.1.13
Tiết diện ngang nguyên (gross cross-section)
Tổng diện tích tiết diện ngang của cấu kiện, không kể đến các sườn cứng dọc không liên tục.
3.1.14
Vỏ (shell)
Kết cấu hoặc bộ phận kết cấu được hình thành từ tấm mỏng cong.
3.1.15
Vỏ tròn xoay (shell of revolution)
Vỏ có hình dạng hình học được xác định bởi bề mặt trung bình được tạo nên từ việc xoay đường
kinh tuyến quanh một trục một góc 2 radian. Vỏ có thể có chiều dài bất kỳ.
3.1.16
Bề mặt trung bình (middle surface)
Bề mặt nằm giữa bề mặt trong và bề mặt ngoài của vỏ tại mỗi điểm. Khi vỏ được tăng cứng ở một hoặc hai mặt, bề mặt trung bình tham chiếu vẫn được lấy là bề mặt trung bình của bản cong của vỏ. Bề mặt trung bình là bề mặt tham chiếu để phân tích và có thể bị gián đoạn (không liên tục) tại các vị trí thay đổi chiều dày hoặc tại các vị trí các đường giao nhau của vỏ, dẫn tới làm xuát hiện độ lệch tâm mà có thể là quan trọng đối với ứng xử của kết cấu vỏ.
3.2 Ký hiệu
3.2.1 Các đặc trưng hình học
3.2.2 Các đặc trưng vật liệu
3.2.3 Các đặc trưng về lực, mô men, ứng suất
3.2.4 Các thông số
4 Yêu cầu chung
4.1 Các yêu cầu cơ bản đối với kết cấu
4.1.1 Khi thiết kế các kết cấu thép cần:
Lựa chọn sơ đồ kết cấu đảm bảo được độ bền, ổn định và tính không biến hình không gian của nhà và công trình về tổng thể và của từng cấu kiện riêng biệt khi vận chuyển, lắp dựng và sử dụng;
– Tuân thủ các yêu cầu của TCVN 12251:2020 trong phần bảo vệ chống ăn mòn cho kết cấu xây dựng;
– Kể đến khả năng chịu lửa của chúng và đảm bảo bảo vệ chống cháy cho chúng phù hợp với hệ thống bảo vệ chống cháy của đối tượng;
– Sử dụng các loại thép bền môi trường (chống ăn mòn) và chịu lửa;
– Luận chứng được việc tăng chiều dày thép cán và thành ống bằng các yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn và tăng giới hạn chịu lửa của kết cấu;
– Tuân thủ các tiêu chuẩn đối với từng loại kết cấu;
– Thực hiện tính toán độ chính xác của các kích thước kết cấu và của các cấu kiện của nó khi có luận chứng kỹ thuật theo các tiêu chuẩn.
Không cho phép sử dụng ống thép đã khôi phục và các loại kết cấu thép khác đã qua sử dụng trong hồ sơ để thi công, sửa chữa nhà và công trình có mức độ tầm quan trọng bình thường và nâng cao (xem Phụ lục L), cũng như khi xây dựng và sử dụng các công trình đặc biệt nguy hiểm, phức tạp về kỹ thuật và các công trình đặc thù.
4.1.2 Các kết cấu thép của các công trình hở (được khai thác sử dụng trong môi trường không khí, nghĩa là không được bảo vệ tránh tác động của khí quyển) như cầu cạn cho cần trục, cột đường dây tải điện trên không, trụ đỡ đường ống, trụ đỡ bể chứa, sàn phục vụ bảo trì, khung giá, … treo và các kết cấu tương tự, cần phải tiếp cận được để theo dõi, đánh giá tình trạng kỹ thuật, thực hiện các công tác bảo trì, sửa chữa và không được tích trữ bụi bẩn và không được cản trở thông gió. Các yêu cầu vừa nêu không áp dụng cho các kết cấu được bảo vệ trong bê tông hoặc trong khối xây, hoặc bằng các biện pháp khác, các kết cấu được ốp bằng các vật liệu tấm và được khai thác sử dụng trong nhà có sưởi.
Các đầu mút của các kết cấu làm bằng các cấu kiện định hình kín phải được bịt kín, trừ các cấu kiện của kết cấu được mạ kẽm nhúng nóng.
4.1.3 Các bản vẽ thi công của kết cấu phải phù hợp với các yêu cầu của TCVN 12002-1:2020, TCVN 12002-2:2020.
Trong các bản vẽ thiết kế kết cấu và các tài liệu đặt hàng vật liệu thép cần ghi rõ:
– Thép và các yêu cầu đối với nó theo tiêu chuẩn này;
– Biện pháp thực hiện liên kết hàn, phương pháp hàn; loại, mác, đường kính que hàn, vị trí mối hàn khi hàn; loại tấm đệm cho mối hàn đối đầu;
– Cấp độ bền và cấp chính xác của bu lông; khi sử dụng bu lông được kiểm soát lực siết – lực siết và phương pháp kiểm tra lực siết bu lông;
– Phương pháp chuẩn bị bề mặt tiếp xúc cho liên kết ma sát;
– Vị trí và kích thước liên kết hàn, liên kết bu lông và liên kết ma sát có ghi rõ cách thực hiện chúng trong nhà máy hoặc các điều kiện lắp dựng, và trong các trường hợp riêng, trình tự hàn và lắp bu lông;
– Phương pháp và khối lượng kiểm tra chất lượng khi chế tạo và lắp dựng;
– Các yêu cầu về bảo vệ chống ăn mòn cho kết cấu thép.
– Các yêu cầu về bảo vệ chống cháy.
4.2 Các yêu cầu cơ bản đối với tính toán
4.2.1 Các kết cấu thép và việc tính toán chúng theo các trạng thái giới hạn phải thỏa mãn các
yêu cầu về độ tin cậy theo TCVN 9379:2012.
Tính toán các kết cấu thép cần được thực hiện có kể đến chức năng của kết cấu, điều kiện chế tạo, vận chuyển, lắp dựng và sử dụng chúng, cũng như các tính chất của vật liệu.
Trong các sơ đồ tính toán cần kể đến các đặc trưng biến dạng của các liên kết gối tựa, của nền
và móng.
4.2.2 Khi tính toán kết cấu thì giá trị tải trọng và tác động, cũng như các giá trị giới hạn về độ võng và chuyển vị của các cấu kiện kết cấu cần được lấy theo TCVN 2737:1995, TCVN 5574:2018 (Phụ lục M) và các điều 16 và 17.
4.2.3 Nhiệt độ tính toán trong vùng xây dựng cần được lấy theo nhiệt độ không khí bên ngoài
của các ngày lạnh nhất theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong
xây dựng.
Nhiệt độ công nghệ tính toán được quy định trong nhiệm vụ thiết kế.
4.2.4 Các sơ đồ tính toán và các giả thiết cơ bản về tính toán cần phản ánh được điều kiện
làm việc thực tế của kết cấu thép.
Xem xét các mô hình tính toán sau đây đối với các kết cấu chịu lực:
– Các cấu kiện dạng thanh và dạng dầm riêng biệt (chịu kéo, chịu nén, chịu nén lệch tâm, chịu nén uốn và chịu uốn);
– Các hệ kết cấu phẳng hoặc không gian được liên kết (không tự do – Hình 1a); tính toán các kết cấu này được thực hiện bằng cách tính toán các cấu kiện riêng biệt có kể đến tác dụng tương hỗ của chúng với nhau và với nền theo TCVN 9362:2012;
– Các hệ kết cấu phẳng hoặc không gian không được liên kết (tự do – Hình 1b); khi tính toán các kết cấu này, cùng với việc kiểm tra các cấu kiện riêng biệt, cần kể đến khả năng hệ tổng thể đạt tới trạng thái giới hạn;
14 Thiết kế liên kết các kết cấu thép
14.1 Liên kết hàn
14.1.1 Khi thiết kế kết cấu thép với các liên kết hàn, cần:
– Lựa chọn kích thước của các đường hàn có kể đến các yêu cầu trong 14.1.2, 14.1.4 đến 14.1.6, cũng như sử dụng số lượng tối thiểu cần thiết các đường hàn tính toán và cấu tạo;
– Đảm bảo để tiếp cận dễ dàng đến các vị trí thực hiện các liên kết hàn có kể đến phương pháp và công nghệ hàn đã chọn.
14.1.2 Các loại cơ bản, phần tử kết cấu và kích thước của các liên kết hàn cần được lấy theo các tiêu chuẩn tương ứng.
14.1.3 Khi lựa chọn que hàn, dây hàn và thuốc hàn cần kể đến nhóm kết cấu và nhiệt độ tính toán nêu trong Phụ lục B và C.
14.1.4 Khi thiết kế liên kết hàn cần loại trừ được khả năng kết cấu bị phá hoại giòn theo các yêu cầu trong Điều 13.
14.1.5 Khi thiết kế các liên kết hàn chữ T và liên kết hàn góc của các cấu kiện có ứng suất kéo theo phương chiều dày thép cán, để loại trừ được khả năng phá hoại tách lớp của kim loại dưới đường hàn cần:
– Sử dụng thép cho kết cấu nhóm 1 theo Bảng A.1 (Phụ lục A) có tính chất cơ học (được đảm bảo theo xác suất thống kê) theo phương chiều dày thép cán phù hợp với 13.5.
– Sử dụng kim loại hàn có cường độ thấp và tính dẻo nâng cao; các biện pháp công nghệ hàn để hướng tới giảm ứng suất hàn dư;
– Không sử dụng đường hàn góc một bên mà sử dụng đường hàn góc hai bên;
– Thay liên kết hàn góc bằng liên kết hàn chữ T và đảm bảo tỉ số chiều rộng cánh vươn trên chiều dày của cấu kiện không nhỏ hơn 1;
– Sử dụng vát mép mà đảm bảo được việc giảm khối lượng kim loại nóng chảy.
14.1.6 Các liên kết hàn đối đầu các chi tiết dạng tấm cần được thiết kế bằng đường hàn thẳng thấu suốt chiều dày và sử dụng bản chặn .
Trong các điều kiện lắp dựng sử dụng đường hàn một bên và hàn thêm chân đường hàn và hàn ở bản thép lót.
14.1.7 Kích thước các đường hàn góc và kết cấu của liên kết phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
a) Chiều cao đường hàn góc hf không được vượt quá 1,2t, trong đó t là chiều dày nhỏ nhất trong số chiều dày các cấu kiện được hàn;
Chiều cao đường hàn ở chỗ bo tròn của thép cán định hình với chiều dày t không được vượt quá 0,9t;
b) Chiều cao đường hàn góc hf phải thỏa mãn các yêu cầu tính toán và không được nhỏ hơn chiều cao ghi trong Bảng 41 khi đảm bảo được chiều sâu hàn thấu trong mối hàn chữ T hai bên, cũng như trong liên kết hàn ghép chồng và hàn góc, khi đảm bảo được các biện pháp mà đảm
bảo không có khuyết tật, kể cả các vết nứt công nghệ, thì chiều cao đường hàn (từ 5 mm trở lên) được lấy nhỏ hơn các giá trị ghi trong Bảng 41, nhưng không nhỏ hơn 4 mm.
c) Chiều dài tính toán của đường hàn góc không được nhỏ hơn 4hf và không nhỏ hơn 40 mm;
d) Chiều dài tính toán của đường hàn cánh không được nhỏ hơn 85Bf f h , trừ các đường hàn mà trong đó lực tác dụng vào chúng trên suốt chiều dài đường hàn (ở đây Bf là hệ số lấy theo Bảng 42);
e) Kích thước đoạn ghép chồng không được nhỏ hơn 5 lần chiều dày cấu kiện được hàn mỏng nhất;
f) Tỉ số các kích thước của chiều cao các đường hàn góc lấy bằng 1:1; khi chiều dày các cấu kiện được hàn khác nhau thì sử dụng đường hàn với các chiều cao khác nhau; khi đó, các chiều cao đường hàn tiếp xúc với cấu kiện mỏng nhất hoặc dày nhất phải thỏa mãn các yêu cầu tương ứng trong 14.1.7 a) hoặc 14.1.7 b) tương ứng;
g) Các đường hàn góc cần được vát đều đến kim loại cơ bản trong các trường hợp khi mà sự
vát đều này đảm bảo tăng được cường độ chịu mỏi tính toán của liên kết hàn.
