KẾT CẤU THÉP Chương 3

Introduction to composite construction of buildings KẾT CẤU THÉP Chöông 0 Tổng quan veà Keát Caáu Theùp Chöông 1 Vaät Lieäu vaø Söï Laøm Vieäc cuûa KC Theùp Chöông 2 Lieân Keát Keát Caáu Theùp Chöôn.

KẾT CẤU THÉP

◆ Chương 0 Tổng quan về Kết Cấu

Thép

◆ Chương 1 Vật Liệu và Sự Làm

Việc của KC Thép

◆ Chương 2 Liên Kết Kết Cấu Thép

◆ Chương 3 Dầm Thép

◆ Chương 4 Cột Thép

◆ Chương 5 Dàn Thép

KẾT CẤU THÉP

1. Dầm thép

2. Hệ dầm thép

3. Bản sàn thép

I ĐẠI CƯƠNG VỀ DẦM VÀ HỆ DẦM

◆ Dầm  Chịu uốn chủ yếu (M và V)

◆ 2 loại dầm thép: Dầm hình và Dầm tổ hợp

1 Dầm thép

◆ Dầm hình:

– Làm từ một thép hình

– Theo tiết diện: có đối xứng và không đối xứng

– Theo cách chế tạo: có cán nóng, dập nguội

1 Dầm thép

Hệ dầm phổ thông Hệ dầm phức tạp

2 Hệ dầm thép

◆ Cấu tạo bản sàn thép:

– Bản thép được gối trên một trong 3 kiểu dầm trên

– Bản thép được hàn với cánh dầm bằng Đường Hàn Góc

Loại cấu kiện Độ võng cho phép Dầm của sàn nhà và mái

Dầm có đường ray:

1 Dầm đỡ sàn công tác có đường ray nặng 35kg/m và lớn hơn

2 Như trên, khi đường ray nặng 25kg/m và nhỏ hơn L/600 L/400

Xà gồ:

1 Mái lợp ngói không đắp vữa, mái tấm tôn nhỏ

2 Mái lợp ngói có đắp vữa, mái tôn múi và các mái khác L/150 L/200

Dầm hoặc dàn đỡ cấu trục:

1 Cầu trục chế độ làm việc nhẹ, cầu trục tay, palăng

2 Cầu trục chế độ làm việc vừa

3 Cầu trục chế độ làm việc nặng và rất nặng

L/400 L/500 L/600 Sườn tường:

1 Dầm đỡ tường xây

2 Dầm đỡ tường nhẹ (tôn, fibrô ximăng), dầm đỡ của kính

3 Cột tường

L/300 L/200 L/400 Ghi chú: L - nhịp cấu kiện chịu uốn Dầm công xôn: L lấy bằng 2 lần độ vươn

Độ võng cho phép của cấu kiện chịu uốn

◆ Các bước tính toán:

– Có tải trọng q

– Có [f] = [∆/L]

Tra biểu đồ của Leites để có L/t

 Hoặc dùng công thức gần đúng của Teloian:

1

1 4

1 15

1

o

c o

c o

EI H

l

=

2 2

8

1 1

– Chiều cao đường hàn góc

hf (chiều dài đơn vị) để đủ chịu lực kéo H:

R

=

1. Chiều dài dầm

2. Chiều cao dầm

3. Các điều kiện cần kiểm tra

II KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA DẦM

 Thiên về an toàn, lấy l = L

 Sàn thông thường, hay lấy l ≤ 18m

 Nhịp bé  Dầm Thép Hình

 Nhịp lớn  Dầm Tổ Hợp

1 Chiều dài dầm

 Điều kiện bền

 Ổn định cục bộ bản bụng và bản cánh

 Độ võng

 Ổn định tổng thể

 Điều kiện cấu tạo và khả thi khi thi công

3 Các điều kiện cần kiểm tra

1. Chọn tiết diện dầm hình

2. Kiểm tra tiết diện dầm theo cường độ

3. Kiểm tra độ cứng (độ võng) của dầm

4. Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm hình

III THIẾT KẾ DẦM THÉP HÌNH

yc x x

c

M W

c f γ

=

◆ Tra bảng quy cách thép cán và chọn:

◆ Kiểm tra tiết diện dầm đã chọn

M

f W

σ = ≤ γ

1

c nx

Nếu bản bụng bị giảm yếu (BL)  ứng suất tiếp τ nhân thêm hệ

số α =a(a-d), a là khoảng cách tâm hai lỗ, d là đường kính lỗ đinh

◆ Kiểm tra bản bụng dầm chịu ứng suất cục bộ

2 Kiểm tra tiết diện dầm theo cường độ

r : bán kính cong chuyển tiếp từ bụng

sang cánh của tiết diện thép hình làm dầm

F : giá trị của tải trọng tập trung, phân bố trên chiều rộng b

lz: chiều dài phân bố quy đổi của tải trọng tập trung dọc theo mép trên của bản bụng, tại thớ trên của chiều cao tính

toán bản bụng (hw), cánh thớ trên của dầm đoạn hy

◆ Kiểm tra tiết diện dầm chịu đồng thời ứng suất pháp, ứng suất tiếp, ứng suất cục bộ:

2 Kiểm tra tiết diện dầm theo cường độ

∆ /l: độ võng tương đối của dầm (tải trọng tiêu chuẩn)

Dầm đơn giản nhịp l, chịu tải trọng tiêu chuẩn phân bố đều qc

[ ∆ /l]: tỷ số giữa độ võng giới hạn và nhịp dầm (tiêu chuẩn thiết kế

phụ thuộc cụ thể từng dầm, loại công trình)

3 5

và của dầm phụ là L/350

◆ Dùng cho công trình chịu tải trọng lớn (q>20kN/m) hoặc nhịp lớn

◆ Gồm các bước:

1 Chọn tiết diện

2 Thay đổi tiết diện theo chiều dài

3 Kiểm tra các tiết diện theo điều kiện bền, biến dạng,

ổn định

4 Cấu tạo và tính toán các chi tiết

IV THIẾT KẾ DẦM TỔ HỢP

◆ Chiều cao hmin ≤ h ≤ hmax

◆ Chiều dày bản bụng tw

◆ bf, tf (dầm tổ hợp hàn); bd, td (dầm tổ hợp BL/đinh tán)

1 Chọn tiết diện dầm

Chọn bản cánh:

– tf > tw  tiết diện làm việc hiệu quả, tf = 12 ÷ 24mm

– tf ≤ 30mm  tránh ứng suất phụ khi hàn, cường độ tính toán tăng khi chiều dày giảm

– bf/tf ≤ √(E/f)  ổn định cục bộ bản cánh nén

– bf ≤ 30tf  ứng suất pháp phân bố đều trên cánh kéo, ổn định cục bộ cho cánh nén

– bf = h/2 ÷ h/5; bf ≥ 180mm; bf ≥ h/10  ổn định tổng thể, dễ liên kết dầm với các cấu kiện khác

1 Chọn tiết diện dầm

Dầm bulông/đinh tán

– Chọn trước thép góc cánh dầm (nên chọn đều cạnh)

bg = h/12 ÷ h/9; tg = tw; tg = (bg/11 ÷ bg/10)

– Xác định tiết diện bản phủ

» I0g: Mômen quán tính của một thép góc

với trục trọng tâm của nó

– Chọn trước bd theo điều kiện: bd ≥ 2bg+tw

– Chọn td theo yêu cầu cấu tạo của phần đua ra của bản phủ:

 Khi dùng 1 bản phủ: a1 ≤ 15td

 Khi dùng 2 bản phủ: a1 ≤ 8td

tf2bg+tw

bg a1

1 Chọn tiết diện dầm

◆ Kiểm tra độ bền:

– Kiểm tra theo đk bền chịu uốn ở nơi chỉ có M còn V=0:

» c1: hệ số kể đến sự phát triển biến dạng dẻo của thép

» Wnx: mômen kháng uốn của tiết diện thực đối với trục x-x – Kiểm tra theo đk bền chịu cắt ở nơi chỉ có V, còn M=0:

» Sx: mômen tĩnh của phần tiết diện nguyên đối với trục x-x

x

v c x

VS

f I

τ = ≤ γ

2 Kiểm tra tiết diện dầm tổ hợp

– Kiểm tra các tiết diện chịu đồng thời M, V tại mép cánh và bụng

dầm:

» h0: chiều cao tính toán của bản bụng

» Sf: mômen tĩnh đ/v trục trung hoà:

◆ 1 bản cánh dầm: dầm hàn

◆ 2 thép góc cánh và bản đậy: dầm tổ hợp BL/đinh tán

f x

VS h

– Kiểm tra ứng suất cục bộ của bụng dầm khi có lực tập trung:

 Kiểm tra tiết diện dầm chịu đồng thời ứng suất pháp, ứng suất tiếp, ứng suất cục bộ:

◆ Kiểm tra độ cứng (độ võng):

– Nếu h ≥ hmin  không cần kiểm tra

– Nếu h < hmin

◆ Kiểm tra ổn định tổng thể

◆ Nếu một trong các điều kiện không thoả mãn  chọn lại tiết diện và tính toán kiểm tra lại như trên

2 Kiểm tra tiết diện dầm tổ hợp

∆   ∆

≤    

TK dầm tổ hợp hàn chữ I, chịu tải trọng phân bố đều, nhịp dầm 12m, hai đầu liên kết khớp với gối tựa Mômen uốn và

min

270.10

12558 21,5

mm

γ δ

Chọn hd=1200mm, hb=1160mm

Kiểm tra điều kiện bền chịu cắt của bản bụng dầm

Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng dầm

12558

1

yc kt

116 2,15.10

5,5 5,5 2,06.10

b b

h f

E

c c

V THAY ĐỔI TIẾT DIỆN DẦM

◆ Giảm tiết diện dầm theo sự phân bố nội lực

 Tiết kiệm vật liệu

 Tăng chi phí chế tạo dầm

 Hiệu quả khi L ≥ 10m

◆ Giảm bf: thường áp dụng cho dầm hàn vì cấu tạo đơn giản

V THAY ĐỔI TIẾT DIỆN DẦM

– Cách 1: Dự tính vị trí giảm rồi tính bf1

» Dự tính vị trí giảm x1 (dầm đơn giản, tải phân bố đều thì

vị trí cách gối tựa x1 = l/6 là kinh tế nhất)

» Xác định mômen kháng uốn tại mặt cắt đó:

◆ Khi mối nối cánh kéo dùng + đường hàn đối đầu xiên góc:

+ đường hàn đối đầu thẳng góc:

f, fwt: cường độ tính toán về kéo của thép cơ bản làm dầm và của đường hàn đối đầu nối cánh dầm

V THAY ĐỔI TIẾT DIỆN DẦM

1 1

» Giữ nguyên hw, tw, tf và xác định bf theo Wx1 theo yêu cầu cấu tạo sau:

◆ bf1 ≥ 180: dầm dễ liên kết với các dầm phụ bên trên

◆ bf1 ≥ bf/2: các đặc trưng chịu lực của tiết diện trước

và sau khi đổi không bị chênh quá nhiều

◆ bf1 ≥ h/10: không làm giảm nhiều Iy, It và khả năng chống oằn bên của dầm

V THAY ĐỔI TIẾT DIỆN DẦM

2 3

2 W

» Xác định khả năng chịu uốn của tiết diện:

◆ Mối nối cánh kéo dùng đường hàn đối đầu xiên góc:

◆ Mối nối cánh kéo dùng đường hàn đối đầu thẳng góc:

» Cân bằng mômen Mx = f(x1) với khả năng chịu uốn của tiết diện trên  xác định vị trí

x1 cần thay đổi tiết diện dầm x1

1. Hiện tượng và nguyên nhân

 Hiện tượng mất ổn định tổng thể (hiện tượng

oằn ngang) của dầm

VI ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ

Nguyên nhân:

– Khi dầm chịu uốn, phần chịu nén của dầm làm việc tương tự như cột chịu nén  bị mất ổn định

nếu độ mảnh đủ lớn

– Tuy nhiên, khác với cột, phần chịu nén sẽ bị ràng buộc bởi phần chịu kéo và do vậy độ võng

ngang sẽ phát sinh kèm theo sự xoắn của dầm

VI ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ

2. Kiểm tra

– Wx: mômen kháng uốn của tiết diện nguyên cho thớ biên của cánh chịu nén

ϕb: hệ số giảm yếu khả năng chịu lực của dầm

Xác định ϕ1:

– L0: chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng dầm

– h: chiều cao tiết diện dầm

– Ix, Iy: mômen quán tính đối với trục x-x, y-y

ψ: phụ thuộc (đk biên cánh nén, dạng tải trọng, α)

» Đối với dầm tổ hợp hàn I:

◆ tw: chiều dày bản bụng

◆ bf, tf: chiều rộng và chiều dày bản cánh

◆ hfk: khoảng cách trọng tâm giữa 2 cánh

◆ Không cần kiểm tra ổn định tổng thể của dầm khi:

– Cánh chịu nén của dầm được liên kết chặt với sàn cứng

– Khi tỷ số L0/bf không vượt quá tỷ số giới hạn [L0/bf]

VI ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ

◆ Để tăng cường ổn định tổng thể:

– Tăng bf, giảm tf, giảm hfk Khi đó sẽ phải chọn lại tiết diện dầm

– Dùng hệ sàn cứng hoặc giằng ngang ở cánh nén:

– Dùng hệ giằng chống xoắn:Cánh nén

VI ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ

1. Hiện tượng và nguyên nhân

2. Ổn định cục bộ cánh chịu nén

3. Ổn định cục bộ bản bụng dầm

VII ỔN ĐỊNH CỤC BỘ

1 Hiện tượng và nguyên nhân

– Ứng suất tới hạn của bản mỏng theo lý thuyết đàn hồi:

 Bản cánh nén tựa khớp trên bụng dầm, cạnh đối diện tự do:

2 Ổn định cục bộ bản cánh chịu nén

i Do ứng suất tiếp

a) Khi không có sườn gia cường

Bản bụng dài vô hạn và ngàm đàn hồi với hai cánh dầm

 Nếu dầm thoả

 không cần làm sườn ngang để gia cường bụng dầm

 Nếu không thoả điều kiện trên

 Gia cường bản bụng dầm bằng các sườn ngang,

 Thay đổi điều kiện tựa, loại ô bản,

 Giảm tỷ số cạnh dài/cạnh ngắn của ô bản nhằm tăng τcr

3 Ổn định cục bộ bản bụng dầm

λ ≤     λ

 Cấu tạo sườn ngang

o Khoảng cách 2 sườn:

» a ≤ 2hw khi λw > 3,2

» a ≤ 2,5hw khi λw ≤ 3,2

o Chiều rộng sườn:

o Chiều dày sườn:

o Chiều cao đường hàn liên kết sườn hf,min = 5mm

3 Ổn định cục bộ bản bụng dầm

w +40 30

b) Khi có sườn gia cường

µ: tỷ số cạnh dài / cạnh ngắn ô bản (a/hw hoặc hw/a)

– : độ mảnh quy ước của ô bản

» d: cạnh ngắn hơn trong 2 cạnh của ô bản (a hoặc hw)

Nếu bố trí đôi sườn ngang có a = 2hw , µ=a/hw=2

Với τcr = fv:

• Dầm không chịu lực tập trung:

• Có lực tập trung đặt trên cánh nén dầm

Nếu bố trí sườn ngang theo cấu tạo quy định

và  không kiểm tra ổn định cục bộ bản bụng

ii Dưới tác dụng của ứng suất pháp:

– Dầm tổ hợp hàn: bản cánh liên kết với bụng bằng các đường hàn góc

– Khi chịu lực, bản cánh có xu hướng trượt tương đối so với bản bụng

 Đường hàn sẽ chịu lực trượt đó

1 Liên kết cánh dầm với bản bụng

– Lực trượt T trên một đơn vị chiều dài dầm:

» V = Vmax

» Ix – mômen quán tính của tiết diện với trục x-x

» Sf – mômen tĩnh đ/v trục trung hòa của phần tiết diện

bị trượt (tiết diện bản cánh dầm hàn) – Lực trượt T do đường hàn góc chịu:

c

VS h

f

≥

◆ Trường hợp có lực tập trung F (không có sườn gia cường tại đó):

Cấu tạo và tính toán mối nối dầm:

2 Nối dầm

Phải nối dầm là do:

 Thép dùng làm dầm không đủ dài: mối nối nhà máy

 Dầm có trọng lượng hoặc chiều dài vượt quá khả năng của

các phương tiện vận chuyển, cẩu lắp (mối nối công trường)

◆ Nối hàn đối đầu:

– Khi hàn tay và dùng biện pháp thông thường kiểm tra: fwt=0,85f → nối dầm ở những tiết diện

có M≤ 0,85Mmax

2 Nối dầm

◆ Nếu muốn nối dầm bằng phương pháp hàn ở vị trí M>0,85Mmax, dùng giải pháp sau:

2 Nối dầm

◆ Dùng bulông:

2 Nối dầm

a) Dầm tựa lên cột thép (các ví dụ liên kết khớp)

3 Gối dầm

s 2 1s s

◆ Kiểm tra sườn gối theo điều kiện bền về ổn định ngoài mặt phẳng bụng dầm: xem như một thanh

quy ước chịu nén đúng tâm

– Liên kết: hai đầu khớp

– Kiểm tra ổn định sườn gối:

≈ ϕ : hệ số uốn dọc

» iz: bán kính quán tính của tiết diện quy ước đ/v trục z,

trùng với trục dọc của bản bụng dầm

» A = As + Aw1: tiết diện thanh quy ước

 As: diện tích chịu nén của sườn đầu dầm

 Aw1: phần diện tích bản bụng tham gia chịu lực với sườn đầu dầm: + Khi sườn bố trí ngay đầu dầm: Aw1=twc1

b) Dầm tựa lên tường, cột bằng bêtông hoặc gạch đá

3 Gối dầm