Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng NUCE 2019. 13 [5V]: 9–19KHUNG NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG BẰNG THÉP CÓ CẦUTRỤC ĐƯỢC THIẾT KẾ CHỊU TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT VÀ GIÓĐinh Văn Thuậta,∗, Nguyễn Đình Hòaa , Hồ Viết Chươngb , Trịnh Duy KhánhaaKhoa Xây dựng dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng,số 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt NambTrường Đại học Vinh, 182 Lê Duẩn, Thành phố Vinh, Nghệ An, Việt NamNhận ngày 29/08/2019, Sửa xong 11/09/2019, Chấp nhận đăng 11/09/2019Tóm tắtTrong bài báo này, tám khung nhà công nghiệp một tầng, một nhịp bằng thép có cầu trục được khảo sát với cácthông 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 Nộivà Sơn La. Các trường hợp tải trọng được sử dụng để thiết kế khung gồm tĩnh tải, hoạt tải sửa chữa mái, tải cầutrục, tải trọng gió thổi ngang và dọc nhà, tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụng theo phương ngang vàđứng. Các trường hợp tổ hợp nội lực được xác định tương ứng với các hệ số tổ hợp khi xét trường hợp tải trọngđộng đất có ảnh hưởng chính, tải trọng gió có ảnh hưởng chính và tải trọng gió có ảnh hưởng tương tự như cáchoạt 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 sovới do tải trọng gió khi nhịp khung tăng, đặc biệt đối với trường hợp khung ở khu vực Sơn La có động đất mạnhvà gió yếu. Trọng lượng của cột và dầm khung được thiết kế chịu tải trọng động đất là lớn hơn đáng kể so vớichịu 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 nộilực; hệ số tổ hợp nội lực.SINGLE-STOREY INDUSTRIAL STEEL BUILDING FRAMES WITH CRANES DESIGNED TO WITHSTAND STATIC EARTHQUAKE AND WIND LOADSAbstractIn this paper, eights one-span single-storey industrial steel building frames with cranes were investigated withthe parameters on frame spans of 20, 26, 32 and 38 m; crane capacities of 100 and 200 kN and constructionlocations 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 verticalstatic earthquake loads. Numerous cases of internal force combination were defined in accordance with thecombination coefficients when considering that the earthquake load had a major influence, the wind load had amajor influence and the wind load had the same effect as the other live load activities. As a result, the bendingmoments at the bottom and top of the column combined due to the earthquake load tended to be larger thanthose combined due to the wind load when the span of the frame increases, especially for the case of framesconstructed in the Son La region with strong earthquakes and weak winds. In addition, the weights of the framecolumns and beams designed to withstand the earthquake loads were considerably greater than those designedto 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; internalforce combination; combination coefficients.//doi.org/10.31814/stce.nuce2019-13[5V]-02 c 2019 Trường Đại học Xây dựng [NUCE]∗Tác giả chính. Địa chỉ e-mail: [Thuật, Đ. V.]9Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng1. Mở đầuKết cấu khung nhà công nghiệp một tầng bằng thép có cầu trục được yêu cầu thiết kế chịu các loạitải trọng gồm: tĩnh tải, hoạt tải sửa chữa mái, tải cầu trục, gió theo phương ngang và dọc nhà, động đấttác dụng theo phương ngang và đứng [1–5]. Kết cấu loại này có đặc điểm là mặc dù chiều cao tổngthể của khung thấp nhưng chiều cao của cột và chiều dài của nhịp khung đều lớn, tải trọng từ cầu trụcđược 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 kếtcấu và tải trọng tác dụng [2–5]. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng kết cấu khung nhà công nghiệp mộttầng 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 làđáng 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 giaiđoạn [1–5, 8]. Trong giai đoạn thiết kế thứ nhất, phương pháp phân tích kết cấu không phá hoại dướitác dụng của tải trọng động đất tĩnh tương đương được sử dụng. So với tải trọng động đất thực tế tácdụng lên kết cấu khi giả thiết kết cấu làm việc đàn hồi tuyến tính thì tải trọng động đất sử dụng trongthiết kế ở giai đoạn này đã được lấy giảm đi đáng kể bằng cách, chẳng hạn, chia cho hệ số ứng xửđược quy định trong tiêu chuẩn thiết kế [2, 3]. Tiếp theo, trong giai đoạn thiết kế thứ hai, phương phápphân tích kết cấu phi tuyến theo vật liệu được sử dụng để đánh giá khả năng chịu lực và khả năng biếndạng dẻo của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động đất tĩnh tăng dần hoặc dưới tác dụng của cácbăng 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; sứctrục 100 và 200 kN; địa điểm xây dựng ở Hà Nội và Sơn La. Các khung được tính toán thiết kế tronggiai đoạn thứ nhất để đủ chịu được các trường hợp tổ hợp nội lực nguy hiểm do tải trọng động đất vàgió gây ra. Kết quả tính đã chỉ ra rằng trong một số trường hợp tiết diện của cột và dầm khung khiđược thiết kế chịu động đất là lớn hơn đáng kể so với khi được thiết kế chịu tải trọng gió, phụ thuộcvào 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 lựcCác thông số để thiết kế khung nhà công nghiệp một tầng một nhịp bằng thép có cầu trục đượcsử 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 ởkhu vực Hà Nội.Việc xác định các loại tải trọng tác dụng lên khung được trình bày ở [8], bao gồm tĩnh tải, hoạt tảisửa chữa mái, tải cầu trục, tải gió thổi ngang và dọc nhà, tải trọng động đất tĩnh tương đương tác dụngtheo phương ngang và đứng [1–3, 13]. Trong bài báo này, tiết diện của cột và dầm khung sẽ được xácđịnh lại như trình bày ở Bảng 8, do vậy tĩnh tải và tải trọng động đất tĩnh tương đương có giá trị thayđổi so với [8]. Lý do là vì khi tiết diện của cột và dầm khung tăng lên thì trọng lượng và độ cứng củakhung 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 kếtcấu với giả thiết vật liệu làm việc đàn hồi tuyến tính và sử dụng phần mềm SAP, trong đó liên kết ở10mái. Điều này ảnh hưởng đến kết quả tổ hợp nội lực do tải trọng gió sẽ được trình bày ở mục tiếpmái. Điều này ảnh hưởng đến kết quả tổ hợp nội lực do tải trọng gió sẽ được trình bày ở mục tiếpmái.theo.Điều này ảnh hưởng đến kết quả tổ hợp nội lực do tải trọng gió sẽ được trình bày ở mục tiếpmái.Điềunàynàyảnhảnhhưởnghưởngđếnđếnkếtkếtquảquảtổtổhợphợp nộinội lựclực dodo tảitải trọng giósẽtrình bàyở mục tiếptheo.mái.Điềugiótrìnhsẽ đượcđượctheo.mái. Điềunàyảnh hưởngđến kết quảtổ hợpnội lực dotải trọnggió trọngsẽ đượcbày ởtrìnhmụcbàytiếpở mục tiếptheo.Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựngtheo. theo.a. Tĩnh tảia. Tĩnh tảia. Tĩnh tảia. Tĩnh tảiTĩnh tảia.[a]Tĩnhtảia. Tĩnh tảib. Hoạt tải chất nửa tráib. Hoạt tải chất nửa tráib. Hoạtb.tảiHoạtchấttảinửatráinửa tráichất[b] Hoạttải chất nửa tráib. Hoạt tảib.chấtHoạtnửatảitráichất nửa tráic. Dmaxc.ở Dcộttrái, D trái,ở Dcộtphảimax ở cột minmin ở cột phải[c] c.Dmaxở cộttrái,Dtrái,cộtminphảimin ở DDởcộtở cột phảimaxc.ở cột trái, Dmin ở cột phảic. DDmaxmax ở cột trái, Dmin ở cột phảic. Dmax ở cột trái, Dmin ở cột phảid. Tmaxd.ởTcộttráimax ở cột trái[d] ởT maxcột tráid.Tcộtở tráimaxTmaxở cộtd.d.Tmaxở cộttráitráid. Tmax ở cột tráigió ngang thổi từ tráie.TảiTảigió ngange. Tải[e]gióngangthổi từthổitrái từ tráie. Tải gió ngang thổi từ tráie. Tải gió ngange.ngang thổithổitừtừtráitráie. Tải gió ngang thổi từ trái[f] Tải gió thổi dọcTảigiódọcthổi dọcf. Tải f.gióthổif. Tải gió thổi dọcf. f.TảigiógióthổidọcdọcTảithổif. Tải gió thổi dọcTải động đất ngang từ tráig. Tải[g]độngđất độngngangđấttừ ngangtrái từ tráig. Tải[h] Tải động đất đứng từ dưới lênh. Tải độngđấtđứng đấttừ dướih. Tảiđộngđứnglêntừ dưới lênHình 1. Biểu đồ mô men uốn trong khung H-20-100 do các trường hợp tải trọng [kNm]Hình 1. BiểumentronguốnkhungH-20-100do các trườnghợptải trọngHìnhđồ1. môBiểuđồ uốnmô mentrongkhung H-20-100do cáctrườnghợp [kNm]tải trọng [kNm]4443. Tổ hợptiếtđịnhdiện tiếtcủa diệncột 4vàdầm3. nộiTổ lựchợpvànộixáclựcđịnhvà xáccủacộtkhungvà dầm khung1143.1 Các trườngtổ hợpsố tổnộitổlực3.1 Cáchợptrườnghợpvàtổhệhợpvàhợphệ sốhợp nội lực4Với mụcVớiđíchmụcso sánhđộng tácdo tảitrọngđộngđất độngvới tảiđấttrọngtronggió,bài trongbáo nàyđích tácso sánhđộngdo tảitrọngvới gió,tải trọngbài báo nàyThuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựngchân cột được coi là ngàm, liên kết ở đỉnh cột với dầm mái được coi là cứng và mô đun đàn hồi củathép là 2,1 × 105 N/mm2 . Tải trọng động đất khi tác dụng theo phương ngang có thể từ bên trái khunghoặc ngược lại, và khi tác dụng theo phương đứng có thể từ trên xuống hoặc từ dưới lên trên. Tươngtự, đối với tải trọng gió tác dụng theo phương ngang có thể từ bên trái sang hoặc ngược lại. Đối vớitải cầu trục, Dmax có thể đặt ở cột trái và Dmin đặt ở cột phải hoặc ngược lại; T max có thể tác dụng ởcột 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 dụngcủa 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 thổi dọc nhà và động đất tác dụngtheo phương đứng đều có biểu đồ mô men uốn là đối xứng [Hình 1[a], 1[b], 1[f] và 1[h]]. Cần lưu ýtrường hợp khung chịu tải trọng gió ngang nhà [Hình 1[e]] có giá trị mô men uốn ở chân cột phía gióđẩy lớn hơn ở chân cột phía gió hút và đồng thời mô men ở chân cột phía gió hút luôn cùng dấu vớimô men do tĩnh tải và hoạt tải mái gây ra [Hình 1[a] và 1[b]]. Mô men ở chân cột phía gió đẩy mặcdù có giá trị lớn hơn nhưng lại trái dấu so với mô men do tĩnh tải và hoạt tải mái. Điều này ảnh hưởngđến kết quả tổ hợp nội lực do tải trọng gió sẽ được trình bày ở mục tiếp theo.3. Tổ hợp nội lực và xác định tiết diện của cột và dầm khung3.1. Các trường hợp tổ hợp và hệ số tổ hợp nội lựcVới mục đích so sánh tác động do tải trọng động đất với tải trọng gió, trong bài báo này chỉ xétnhững trường hợp tổ hợp mà trong đó có tải trọng động đất tác dụng đồng thời theo phương ngang vàđứng, hoặc có tải trọng gió thổi theo phương ngang hoặc phương dọc nhà. Các hệ số tổ hợp nội lựctương ứng với hai trường hợp tải trọng này được lấy giống nhau. Trong thực tế thiết kế, số lượng tổhợp 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 vàdưới tác dụng của tải trọng động đất lớn nhất có thể xảy ra, kết cấu công trình được thiết kế cho phéphình thành biến dạng dẻo nhưng không cho phép sụp đổ [1–5]. Trong khi đó, dưới tác dụng của tảitrọng gió cũng như của các tải trọng thông thường khác, kết cấu công trình bằng thép được thiết kếvới yêu cầu ứng xử trong giới hạn đàn hồi tuyến tính. Do vậy, tác dụng của tải trọng động đất thườngđược xét có ảnh hưởng chính, có nghĩa là hệ số tổ hợp nội lực tương ứng với tải trọng động đất đượclấy bằng 1,0. Bên cạnh đó, các hệ số tổ hợp nội lực tương ứng với các hoạt tải khác khi tổ hợp với tảitrọng động đất sẽ có giá trị nhỏ hơn tùy theo mức độ ảnh hưởng của nó được xét, chẳng hạn được lấybằng 0,8 và 0,6 [1]. Đối với tác dụng của tải trọng gió thì ảnh hưởng của nó có thể được xét là chínhvới hệ số tổ hợp nội lực được lấy bằng 1,0 như trường hợp tải trọng động đất, hoặc cũng có thể đượcxét 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 vàđứng tương đương tác dụng đồng thời, được ký hiệu CE1, . . . , CE10, trong đó ký hiệu Dmax và Dminlà tải trọng cầu trục lớn nhất và nhỏ nhất tác dụng theo phương đứng lên hai vai cột; và T max là lực xôngang lớn nhất từ cầu trục tác dụng ở cao trình mặt trên của dầm đỡ cầu trục. Hệ số tổ hợp nội lực dotải trọng động đất tác dụng đồng thời theo phương ngang và đứng lần lượt là 1,0 và 0,3 hoặc ngượclại là 0,3 và 1,0 [2, 3]. Trong nghiên cứu này, với mục đích so sánh, tải trọng động đất và tải trọng gióđược xét là những tải trọng có ảnh hưởng chính so với các hoạt tải khác; cụ thể là hệ số tổ hợp nội lựcdo tải trọng động đất và gió được lấy là 1,0, trong khi do hoạt tải mái và tải cầu trục được lấy tươngứng là 0,8 và 0,6 hoặc ngược lại là 0,6 và 0,8 [1]. Trong thực tế còn có những trường hợp khác chẳnghạn tải trọng cầu trục có thể được xét có ảnh hưởng chính so với những hoạt tải khác.12Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựngBảng 1. Hệ số tổ hợp nội lực với tải trọng động đất được xét có ảnh hưởng chínhTải trọngCE1CE2CE3CE4CE5CE6CE7CE8CE9CE10Tĩnh tảiTải động đất tĩnh ngangTải động đất tĩnh đứngHoạt tải mái chất đềuTải cầu trục Dmax , DminTải cầu trục T max1,01,00,30001,00,31,00001,01,00,30,8001,01,00,300,80,81,00,31,00,8001,00,31,000,80,81,01,00,30,80,60,61,01,00,30,60,80,81,00,31,00,80,60,61,00,31,00,60,80,8Tương tự, Bảng 2 trình bày 10 trường hợp tổ hợp nội lực trong khung do tải trọng gió thổi theophương ngang nhà hoặc theo phương dọc nhà, được ký hiệu CW1, . . . , CW10. Các hệ số tổ hợp nộilực do trường hợp tải trọng gió ở Bảng 2 là tương ứng với trường hợp do tải trọng động đất ở Bảng 1,chỉ khác ở chỗ tải trọng gió thổi theo phương ngang nhà và phương dọc nhà không thể xảy ra đồngthời với nhau, do vậy hệ số 0,3 ở Bảng 1 được thay thế bằng hệ số 0 ở Bảng 2.Bảng 2. Hệ số tổ hợp nội lực với tải trọng gió được xét có ảnh hưởng chínhTải trọngTĩnh tảiTải gió ngang nhàTải gió dọc nhàHoạt tải mái chất đềuTải cầu trục Dmax , DminTải cầu trục T maxCW1 CW2 CW3 CW4 CW5 CW6 CW7 CW8 CW9 CW101,01,000001,001,00001,01,000,8001,01,0000,80,81,001,00,8001,001,000,80,81,01,000,80,60,61,01,000,60,80,81,001,00,80,60,61,001,00,60,80,8Ngoài 10 tổ hợp ở trên, Bảng 3 trình bày thêm 6 trường hợp tổ hợp nội lực trong khung do tảitrọng gió, với ký hiệu CW11, . . . , CW16, trong đó tải trọng gió được xét có ảnh hưởng giống như cáchoạt tải khác; cụ thể là hệ số tổ hợp nội lực được lấy bằng 0,9 cho cả tải trọng gió và các loại hoạt tảikhác. Kết quả tính toán từ trường hợp tổ hợp nội lực theo Bảng 3 sẽ được so sánh với kết quả tính theocác tổ hợp ở Bảng 2, để từ đó chỉ ra sự khác nhau của việc sử dụng các hệ số tổ hợp nội lực khi xét tảitrọng gió có ảnh hưởng chính hoặc có ảnh hưởng tương tự như các hoạt tải khác.Bảng 3. Hệ số tổ hợp nội lực với tải trọng gió được xét có ảnh hưởng như các hoạt tải khácTải trọngCW11CW12CW13CW14CW15CW16Tĩnh tảiTải gió ngang nhàTải gió dọc nhàHoạt tải mái chất đềuTải cầu trục Dmax , DminTải cầu trục T max1,00,900,9001,00,9000,90,91,000,90,9001,000,900,90,91,00,900,90,90,91,000,90,90,90,913Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng3.2. Kết quả tổ hợp nội lựcNội lực trong cột và dầm khung được tổ hợp theo những nguyên tắc trình bày ở Bảng 1–3 tươngứng với tải trọng động đất và gió. Tại mỗi tiết diện nguy hiểm của cột và dầm, xét ba trường hợp cặpnội lực gồm: mô men uốn lớn nhất, lực dọc trục và lực cắt tương ứng; lực dọc trục lớn nhất, mô menuốn và lực cắt tương ứng; và lực cắt lớn nhất, mô men uốn và lực dọc tương ứng.Bảng 4 trình bày kết quả tổ hợp theo trường hợp mô men có giá trị lớn nhất ở những vị trí châncột, đỉnh cột và đoạn dầm có tiết diện không đổi của các khung được khảo sát trong số 10 tổ hợpCE1, . . . , CE10 do tải trọng động đất. Giá trị mô men trong cột mang dấu dương khi gây kéo ở thớbên trái cột và mang dấu âm khi ở phía bên phải cột như được minh họa ở Hình 1. Kết quả tổ hợp chothấy giá trị tổ hợp mô men uốn lớn nhất đối với các khung thép nhà công nghiệp một tầng được khảosát thường thuộc các trường hợp tổ hợp CE5, 7 và 9 đối với vị trí ở chân cột, tổ hợp CE5 và 9 đối vớiđỉnh cột và tổ hợp CE7, 9 và 10 đối với đoạn giữa dầm. Kết quả đã chỉ ra rằng mô men trong cột vàdầm đều tăng cùng với chiều dài nhịp khung. Giá trị mô men ở đỉnh cột bằng khoảng 90 đến 95% ởchân cột. Đối với các khung một tầng một nhịp được khảo sát, giá trị mô men ở tại đầu dầm được xácđịnh tương ứng với giá trị mô men ở đỉnh cột.Bảng 4. Giá trị mô men lớn nhất và lực dọc tương ứng trong số 10 tổ hợp CE1, . . . , CE10do tải trọng động đất [kNm, kN]Tại chân cộtKhungTại đỉnh cộtTại đoạn giữa dầmMô menLực dọcMô menLực dọcMô menLực dọcH-20-100H-26-100H-32-100H-38-100−230,62−331,36−475,09−658,10−122,00−143,66−176,80−205,53213,29321,68454,48608,31−64,70−81,48−96,36−114,60−35,39−49,34−71,80−104,62−44,15−54,85−91,06−142,91S-20-200S-26-200S-32-200S-38-200−394,87−556,08−738,23−911,97−154,68−179,59−205,43−185,65320,99410,88630,38798,24−91,46−100,71−123,65−142,96−60,87−92,29−133,05−173,64−80,99−104,77−149,65−198,23Bảng 5 trình bày kết quả tổ hợp theo mô men uốn có giá trị lớn nhất trong số 10 tổ hợp CW1, . . . ,CW10 do tải trọng gió khi được xét có ảnh hưởng chính. Kết quả cho thấy giá trị mô men ở đỉnh cộtnhỏ hơn nhiều so với ở chân cột. Điều này cũng có nghĩa là giá trị mô men uốn ở dầu dầm do tải trọnggió có thể nhỏ hơn so với do tải trọng động đất. Tỷ số mô men ở đỉnh cột so với mô men ở chân cộttăng theo chiều dài của nhịp khung, cụ thể là 49 và 55% tương ứng với khung H-20-100 và S-20-200có nhịp 20 m tăng lên đến 62 và 71% tương ứng với khung H-38-100 và S-38-200 có nhịp 38 m.Tương tự, Bảng 6 trình bày kết quả tổ hợp theo mô men uốn lớn nhất trong số 6 tổ hợp CW11, . . . ,CW16 do tải trọng gió khi được xét có ảnh hưởng tương tự với các hoạt tải khác.Tiếp theo, các kết quả tổ hợp nội lực do tải trọng gió và động đất được so sánh thông qua các tỷsố kW và kE như sau:1212kW = MCW/MCWvà kE = MCE/MCW[1]1trong đó MCW= max {MCW1 ; ...; MCW10 } là giá trị mô men lớn nhất trong số 10 tổ hợp CW1, . . . ,2CW10 do tải trọng gió khi được xét có ảnh hưởng chính; MCW= max {MCW11 ; ...; MCW16 } là giá trịmô men lớn nhất trong số 6 tổ hợp CW11, . . . , CW16 do tải trọng gió khi được xét có ảnh hưởng14Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựngBảng 5. Giá trị mô men lớn nhất và lực dọc tương ứng trong số 10 tổ hợp CW1, CW2, . . . , CW10do tải trọng gió khi được xét có ảnh hưởng chính [kNm, kN]Tại chân cộtKhungTại đỉnh cộtTại đoạn giữa dầmMô menLực dọcMô menLực dọcMô menLực dọcH-20-100H-26-100H-32-100H-38-100−237,47−294,93−390,46−508,33−96,74−111,19−138,36−159,19116,23168,13238,25314,66−29,93−38,22−46,47−55,65−39,11−55,76−64,32−83,91−31,36−45,73−63,73−85,06S-20-200S-26-200S-32-200S-38-200−242,75−323,44−426,55−561,94−138,35−151,84−171,68−195,88132,56187,16302,72396,60−45,56−52,66−62,77−74,93−43,62−52,66−70,86−89,58−42,35−54,23−81,71−107,76Bảng 6. Nội lực lớn nhất trong số 6 tổ hợp CW11, CW12, . . . , CW16 do tải trọng giókhi được xét có ảnh hưởng như các hoạt tải khác [kNm, kN]Tại chân cộtKhungTại đỉnh cộtTại đoạn giữa dầmMô menLực dọcMô menLực dọcMô menLực dọcH-20-100H-26-100H-32-100H-38-100−249,66−316,17−419,00−542,88−110,51−136,18−172,51−199,40130,07187,81266,99353,14−34,94−44,54−53,98−64,19−40,20−58,30−66,79−85,13−37,93−53,62−73,29−97,39S-20-200S-26-200S-32-200S-38-200−263,75−356,34−475,54−612,90−153,06−171,61−210,76−239,93158,58205,72329,38428,64−53,64−53,36−69,32−81,87−45,88−57,40−76,69−93,37−49,48−64,20−93,83−121,061= max {MCE1 ; ...; MCE10 } là giá trị mô men lớn nhất trong số 10tương tự với các hoạt tải khác; MCEtổ hợp CE1, . . . , CE10 do tải trọng động đất; MCW1 , . . . , MCW16 là mô men uốn tương ứng với tổ hợpCW1, . . . , 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 đượctổ hợp khi xét tải trọng gió có ảnh hưởng chính [Bảng 2] là nhỏ hơn khi xét tải trọng gió có ảnh hưởngtương tự như các hoạt tải khác [Bảng 3], cụ thể bằng khoảng 90 đến 95% ở chân cột, 84 đến 94% ởđỉnh cột và 92 đến 99% ở đoạn giữa dầm. Như vậy có thể nói rằng đối với các khung nhà công nghiệpmột tầng được khảo sát thì tổ hợp nội lực khi tải trọng gió được xét có ảnh hưởng tương tự như cáchoạt 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 trítại chân cột, đỉnh cột và ở đoạn giữa dầm cho các khung được khảo sát. Giá trị mô men uốn do tảitrọng động đất nhìn chung là lớn hơn do tải trọng gió, trừ trường hợp ở chân cột khung H-20-100 vàở đoạn giữa dầm khung H-20-100 và H-26-100. Các tỷ số này có xu hương tăng theo chiều dài củanhịp khung, cụ thể ở vị trí chân cột có giá trị trong khoảng 0,92 đến 1,21 đối với các khung ở Hà Nội15Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựngBảng 7. Tỷ số so sánh kết quả tổ hợp nội lực do động đất và gióGiữa tổ hợp khác nhau do gióKhungGiữa tổ hợp động đất và giókW1kW2kW3KE1KE2KE3H-20-100H-26-100H-32-100H-38-1000,950,930,930,940,890,900,890,890,970,960,960,990,921,051,131,211,641,711,701,720,880,851,071,23S-20-200S-26-200S-32-200S-38-2000,920,910,900,920,840,910,920,930,950,920,920,961,501,561,551,492,022,001,911,861,331,611,731,86và 1,5 đến 1,56 đối với các khung ở Sơn La. Điều này có nghĩa là ảnh hưởng của tải trọng động đấttrong 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 tếnếu tổ hợp nội lực khi tải trọng động đất được xét có ảnh hưởng tương tự như các hoạt tải khác thì sẽcho kết quả nguy hiểm hơn trường hợp khi được xét có ảnh hưởng chính, do vậy các tỷ số kE1 , kE2 vàkE3 ở Bảng 7 sẽ có giá trị lớn hơn.3.3. Xác định tiết diện của cột và dầm khung chịu động đấtTiết diện của cột và dầm khung được thiết kế để đủ chịu được các tổ hợp nội lực CE1, . . . CE10do tải trọng động đất như đã chỉ ra ở Bảng 1, trong đó kết cấu được giả thiết ứng xử đàn hồi tuyếntính về vật liệu dưới tác dụng của các loại tải trọng, bao gồm cả tải trọng động đất tĩnh tương đươngtác dụng đồng thời theo phương ngang và đứng. Bảng 8 chỉ ra kết quả xác định tiết diện của cột vàdầm khung khi chịu tải trọng động đất, trong đó phần bôi đậm thể hiện tiết diện tăng lên so với trườnghợp được xác định khi chịu tải trọng gió như đã trình bày trong [8]. Kết quả cho thấy hai trường hợpkhung H-20-100 và H-26-10 có tiết diện được xác định khi chịu tải trọng gió là lớn hơn khi chịu tảitrọng động đất.Việc kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện cột và dầm khung được thực hiện đảm bảo các điềukiện về ổn định tổng thể của cột theo phương trong và ngoài mặt phẳng khung; bền chịu mô menuốn, lực cắt và lực dọc trục; ổn định cục bộ của các bản thép; chuyển vị ngang ở đỉnh cột và đứngở giữa dầm mái [14–17]. Đối với khung nhà công nghiệp một tầng bằng thép, chuyển vị ngang chophép ở đỉnh cột là 1/300 chiều cao của cột và chuyển vị đứng cho phép ở giữa dầm mái là 1/250 nhịpdầm. Cường độ tính toán của vật liệu thép là 210 N/mm2 . Thanh chống cột khung theo phương dọcnhà được đặt ở cao trình 3,7 m tính từ mặt móng. Kết quả tính kiểm tra cho thấy tiết diện cột và dầmkhung chủ yếu được xác định theo điều kiện về chuyển vị, với yêu cầu phải nhỏ hơn trong phạm vi5% 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 khichịu 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 trọnggió nên chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột khi chịu động đất nhỏ hơn chuyển vị cho phép tương ứnglà 11,8 và 11,54%.16Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựngBảng 8. Tiết diện của cột và dầm khung được xác định đủ chịu 10 tổ hợp nội lực CE1, . . . , CE10do tải trọng động đất [mm]Bản bụng dầmKhungBản cánh cộtBản bụng cộtBản cánh dầmH-20-100H-26-100H-32-100H-38-100300 × 10300 × 10300 × 10300 × 12550 × 10650 × 10720 × 10760 × 12S-20-200S-26-200S-32-200S-38-200300 × 12300 × 14300 × 14300 × 16680 × 10780 × 12820 × 14880 × 14Tại đầu dầmTại khoảng giữa dầm300 × 10300 × 10300 × 10300 × 12480 × 8650 × 8600 × 8670 × 10300 × 8400 × 8470 × 8480 × 10300 × 10300 × 10300 × 12300 × 14500 × 8580 × 8660 × 10700 × 12350 × 8380 × 8450 × 10450 × 12Bảng 9. Chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột và chuyển đứng lớn nhất ở giữa dầmchịu 10 tổ hợp nội lực CE1, . . . , CE10 do tải trọng động đất [mm]Chuyển vị ngang ở đỉnh cộtKhungChuyển vị đứng ở giữa dầmLớn nhấtCho phépLớn nhấtCho phépH-20-100H-26-100H-32-100H-38-10027,4927,5730,1731,6631,1731,1731,6731,8051,2869,93121,24128,9577,72101,32125,04148,86S-20-200S-26-200S-32-200S-38-20031,1531,1730,9031,7031,1731,1731,6731,8059,0287,84127,96135,9477,18100,77124,61148,35Bảng 10 trình bày kết quả kiểm tra ổn định tổng thể của cột theo phương trong và ngoài mặt phẳngkhung và kiểm tra bền chịu nén uốn, trong đó M và N là cặp mô men uốn và lực dọc trục nguy hiểmnhất. Kết quả cho thấy ứng suất pháp σ tronng cột là khá nhỏ so với cường độ tính toán của thép, cụthể trong khoảng 35 đến 50% theo ổn định tổng thể ngoài mặt phẳng khung; 50 đến 72% theo ổn địnhtổng thể trong mặt phẳng khung; và 56 đến 87% theo bền chịu nén uốn. Kết quả tính cho thấy ứng suấttheo bền chịu nén uốn là lớn hơn khoảng 1,15 đến 1,22 lần ứng suất theo ổn định tổng thể trong mặtphẳng khung. Điều này có nghĩa là tiết tiết diện cột của các khung được khảo sát khi chịu động đấtđược quyết định bởi các điều kiện về chuyển vị ngang, ổn định cục bộ của bản thép cột và có thể vềbền 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 dotải trọng động đất với tiết diện được trình bày ở Bảng 8 và do tải trọng gió với tiết diện được trình bàyở [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 trọnglượng do tải trọng gió. Đối với khung H-20-100 và H-26-100, tiết diện của cột và dầm được quyếtđịnh bởi tải trọng gió nên tỷ lệ này có giá trị là 1,0. Đối với các khung khác, tiết diện của cột và dầm17Thuật, Đ. V., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựngBảng 10. Kết quả kiểm tra ổn định tổng thể của cột khung từ 10 tổ hợp CE1, . . . , CE10 do tải trọng động đấtỔn định trong mặt phẳngKhungỔn định ngoài mặt phẳngM [kNm] N [kN] σ [N/mm ]2M [kNm] N [kN] σ [N/mm ]2Bền chịu nénuốn σ [N/mm2 ]H-20-100H-26-100H-32-100H-38-100230,62331,36475,09658,10122,00143,66176,80205,53102,84117,15142,62152,02121,57176,53252,88355,21122,00143,66176,80205,5372,8483,17101,71105,42118,52137,30171,70183,23S-20-200S-26-200S-32-200S-38-200394,87556,08735,29970,90154,68179,59219,41234,54113,34112,62130,61142,43222,93339,63426,42562,59154,68179,59219,41234,5482,6085,8497,22104,48134,70135,02159,21173,35được quyết định bởi tải trọng động đất và kết quả cho thấy trong trường hợp này trọng lượng của cộtlà lớn hơn khoảng 1,03 đến 1,57 lần so với trường hợp khi được xác định chịu tải trọng gió. Tỷ lệ nàycó xu hướng phụ thuộc vào chiều dài của nhịp khung vì do có xét đến ảnh hưởng của động đất tácdụng theo phương đứng [8].4. Kết luậnTrong bài báo này, tám khung nhà công nghiệp một tầng, một nhịp bằng thép có cầu trục đượcthiết kế chịu tải trọng động đất và gió với các thông số gồm nhịp khung 20, 26, 32 và 38 m, sức trục100 và 200 kN, và địa điểm xây dựng ở khu vực Hà Nội và Sơn La. Tải trong động đất được xác địnhtác dụng đồng thời lên khung theo phương ngang và đứng. Các trường hợp tổ hợp nội lực được xétgồm 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 trọnggió được xét có ảnh hưởng tương tự như các hoạt tải khác. Dưới đây là những kết luận thu được từ kếtquả nghiên cứu này:Bảng 11. Trọng lượng của cột và dầm khung được thiết kế chịu các tổ hợp nội lựcdo tải trọng động đất và gió [kN]Trọng lượng cộtKhungTrọng lượng dầm máiDo động đấtDo gióTỷ lệDo động đấtDo gióTỷ lệH-20-100H-26-100H-32-100H-38-10016,8716,4419,6824,4516,8716,4419,0921,721,001,001,031,1313,4419,3524,6436,5113,4419,3523,9929,831,001,001,031,22S-20-200S-26-200S-32-200S-38-20020,5427,0529,6532,8416,8717,1819,3921,721,221,571,531,5113,9918,8629,9142,4113,9918,8624,0630,311,001,001,241,4018Thuật, 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 tăngcùng với chiều dài nhịp khung. Hơn nữa, kết quả tổ hợp mô men uốn ở đỉnh cột do tải trọng động đấtbằng khoảng 90 đến 95% ở chân cột, trong khi kết quả tổ hợp do tải trọng gió bằng khoảng 49 đến71%.- Kết quả nội lực từ tổ hợp CW11, . . . , CW16 do tải trọng gió khi được xét có ảnh hưởng tương tựnhư các hoạt tải khác là lớn hơn từ tổ hợp CW1, . . . , CW10 khi tải trọng gió được xét có ảnh hưởngchính, cụ thể tỷ số kW1 , kW2 và kW3 tương ứng với vị trí tại chân cột, đỉnh cột và ở đoạn giữa dầm củacác 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 biểuthị 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 Nộivà 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 1,57lần so với khi được xác định chịu tải trọng gió, phụ thuộc vào chiều dài của nhịp khung và độ lớntương đối của động đất so với gió. Điều này có nghĩa là kết cấu khung nhà công nghiệp một tầng bằngthép khi xây dựng ở một số vùng của Việt Nam cần được thiết kế chịu động đất, đặc biệt ở nhữngvùng 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, seismicactions 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 vàgió lên khung ngang nhà công nghiệp một tầng bằng thép có cầu trục. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xâydựng - 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 vàgió lên khung ngang nhà công nghiệp một tầng bằng thép có cầu trục. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xâydựng - 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 theresponses of single-storey industrial steel building frames. Journal of Science and Technology in CivilEngineering [STCE]-NUCE, 13[3]:73–84.[9] Newmark, N. M., Hall, W. J. [1982]. Earthquake spectra and design. Earthquake Engineering ResearchInstitute, California.[10] Paulay, T., Priestley, M. J. N. [1992]. Seismic design of reinforced concrete and masonry buildings. JohnWiley & 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 sửdụng 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