đồ án kết cấu hàn ppsx

Do bê tông cốt thép chỉ được áp dụng ở ViệtNam từ những năm 30 và hầu như không có kết cấu nhịp lớn, nên hầuhết các nhà công nghiệp và công trình nhịp lớn như hội trường, rạp hátđều dùng

LỜI NÓI ĐẦU

Qua những lần được nhà trường và khoa liên hệ cho đi thưc tậpngoài trường tại các công ty, chúng em là kỹ sư công nghệ hàn nhậnbiết được rằng ngoài những môn học như: Công nghệ hàn, Thiết bị

hàn thì môn Kết cấu hàn cũng là một trong những môn học được ứng

dụng rất nhiều trong thực tế mà chúng em cần nắm vững và phát triển

Kết cấu hàn là môn học được đưa vào trong chương trình đào tạosinh viên nghành hàn, với mục tiêu trang bị cho sinh viên một lượngkiến thức và vận dụng một cách linh hoạt các kiến thức đã học củachuyên nghành hàn vào việc chế tạo các kết cấu cụ thể.Đồ án kết cấuhàn là một bài toán cần giải quyết các vấn đề về kết cấu bao gồm:thiết kế kết cấu, kiểm tra độ bền kết cấu, thiết kế mối hàn và kiểm tra

Phần II: Phân tích kết cấu.

Phần III: Tính toán thiết kế kết cấu

Phần IV: Xây dựng qui trình hàn

Phần V: Kết luận- kiến nghị

Trong quá trình thực hiện đồ án tuy đã cố tìm tòi, nghiên cứu tàiliệu và được sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo trong tổ môn

đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn trực tiếp Nguyễn Trọng Thông.

Nhưng do những hạn chế về mặt kiến thức, kinh nghiệm và thời giannên đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót.Chúng em rất

mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo để đồ án có được tínhchính xác và hoàn thiện hơn

Chúng em chân thành cảm ơn!

PHẦN I

TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÉP SỬ DỤNG TRONG XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Ở VIỆT NAM

Thép là một trong hai loại vật liệu quan trọng nhất trong xâydựng ở Việt Nam hiện tại, cùng với vật liệu bê tông cốt thép Đặc biệttrong các năm gần đây, việc sử dụng thép đã phát triển nhanh chóng,thay thế cho bê tông cốt thép (BTCT) trong phần lớn nhà xưởng, nhànhịp lớn và nhiều công trình công cộng khác Bài viết này nhấn mạnh

sự phát triển của kết cấu thép qua nhiều thời kỳ và xu thế của nó trongtương lai từ đó định hướng về việc học tập môn học kết cấu thép nhưthế nào để đạt hiệu quả cao

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN KẾT CẤU THÉP Ở VIỆT NAM

Thời kỳ cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20.

Mọi công trình xây dựng, công nghệ chế tạo và thi công liên quanđến thép đều là của Pháp Do bê tông cốt thép chỉ được áp dụng ở ViệtNam từ những năm 30 và hầu như không có kết cấu nhịp lớn, nên hầuhết các nhà công nghiệp và công trình nhịp lớn như hội trường, rạp hátđều dùng kết cấu thép, ít ra là hệ mái Các nhà xưởng lớn bằng thépđáng kể là: nhà máy xe lửa Gia Lâm, nhà máy rượu Hải Dương, cáchàng ga máy bay ở Gia Lâm và Bạch Mai…Công nghệ và hình thức kết

cấu là ở vào trình độ đương đại: thép cacbon thấp, liên kết đinh tán,thép cán cỡ nhỏ, sơ đồ kết cấu cổ điển.(Cầu long biên)

I.2.Thời kỳ những năm 50 và 60 :

Sau khi hoà bình lập lại ở Đông Dương, miền Bắc Việt Nam bắtđầu xây dựng cơ sở cho nền công nghiệp hoá, trước hết là các nhà máycông nghiệp nặng và công nghiệp nhẹ Lúc đó, thép là vật liệu hiếm có

và rất quý giá, do hoàn toàn nhập từ các nước xã hội chủ nghĩa mà tạicác nước này, thép cũng rất quý và hiếm Phương châm thiết kế kếtcấu thép là: tiết kiệm ở mức cao nhất Do đó, chỉ dùng thép cho nhữngnhà xưởng lớn, có cầu trục nặng, cột cao và nhịp rộng Điển hình là cácnhà xưởng của Khu Liên hợp Gang thép Thái Nguyên Tại đó, có nhữngkhung toàn thép với dàn nhịp 30 đến 40m, cột rỗng bậc thang đỡ cầutrục 20 đến 75tấn, dầm cầu trục nhịp 18m cao tới 2m Lượng thép tínhcho một mét vuông sàn là khá lớn: 70 đến 100kg/m2 Một công trìnhđáng kể nữa là nhà máy Supe Phốt phát Lâm Thao: phần lớn các phânxưởng nhiều tầng hay một tầng đều dùng kết cấu thép Do việc sửdụng thép nhiều mà nhà máy này đã được hoàn thành nhanh hơn 1năm so với viẹc dùng kết cấu bê tông, việc này đã mang lại lợi íchkhông nhỏ cho nền công nghiệp lúc đó, (theo ý kiến phát biểu của một

vị lãnh đạo ngành xây dựng) Sơ đồ hệ thống kết cấu thông dụng là:dàn gồm các thép góc, cột và dầm tổ hợp tấm và thép cán; liên kếthàn, không dùng đinh tán

Khu liên hợp gang thép thái nguyên

I.2.Thời kỳ những năm 70 và 80:

Bắt đầu sử dụng nhiều kết cấu thép tiền chế nhập từ nước ngoài.Điển hình là loại khung kho Tiệp Đó là khung nhịp 12 đến 15m, dànbằng thép ống, cột thép cán tổ hợp và xà gồ là cấu kiện thành mỏngcán nguội Khung này là nguyên là để làm kho cỏ, sang đến Việt Nam

đã được cải tạo để làm kết cấu cho nhà xưởng có các cửa trời và cầutrục, nhà thể thao, và thậm chí cả ga hàng không Ngoài ra, nhiều côngtrình dân dụng như trường học, bệnh viện do các tổ chức nhân đạo trợgiúp nhập từ nước ngoài, được làm bằng kết cấu thép tiền chế 1 tầng

và 2 tầng Phương châm tiết kiệm thép không còn sức mạnh nữa; cácyếu tố thuận tiện cho vận chuyển, cho thi công, cho việc hoàn thànhnhanh đã trở nên quyết định

Ở miền Nam Việt Nam trong các thời kỳ đó, kỹ thuật xây dựng đãđược phát triển nhanh với sự hỗ trợ của công nghệ của các nước tiêntiến Các xu hướng thiết kế là giống như của phương Tây: thép được ápdụng rộng rãi trong các công trình công nghiệp, xưởng đóng tàu, nhà

cao tầng (tới 16 tầng), hang ga máy bay và cả nhà chung cư nhiềutầng

Hình ảnh xưởng đóng tàu

I.3.Thời kỳ những năm 90 đến nay:

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và của ngànhxây dựng, việc sử dụng thép đã tăng nhanh chưa từng thấy Hầu như100% nhà xưởng là làm hoàn toàn hay đại bộ phận bằng thép Nhữngmái nhà nặng nề bằng bê tông cốt thép đã biến mất, thay thế bằngmái tôn nhẹ đặt trên xà gồ thành mỏng Không thấy ở đâu dàn BTCT,dầm mái BTCT đúc sẵn một thời phát triển

máy bay,cầu đường bộ, đường sắt sử dụng dầm thép đã được xây dựng

ở nước ta cũng như nhiều nơi khác trên khắp thế giới

So với các loại dầm khác như dầm bê tông cốt thép thì để vượtđược các nhịp lớn, dầm thép cũng tốt hơn cả vì nó vừa có khối lượngbản thân nhẹ, vừa có khả năng chịu lực lớn, Do đó khi vượt nhịp lớn thìchiều cao dầm thép sẽ không quá lớn, tạo không gian sử dụng lớn

Với cách sử dụng tiết diện dầm thép thì việc thi công sẽ đơn giảnhơn,thời gian thi công nhanh ( vì chủ yếu chỉ là các liên kết bằng mốihàn và bu lông) công trình nhanh chóng được đưa vào sử dụng

Ngày nay, với xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật thì kết

dụng ngày càng rộng rãi hơn trong nhiều công trình khác nhau từnhững công trình nhỏ như nhà ở, nhà máy, xí nghiệp cho đến các côngtrình đòi hỏi vượt nhịp lớn như nhà thi đấu, sân vận động, hănga máybay, các cầu …

Dầm thép có rất nhiều loại tiết diện khác nhau như dầm hình( chữ I, C,hình tròn), dầm tổ hợp, dầm hộp,dầm có sườn lượn sóng,…

Mỗi loại dầm đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đótùy thuộc các điều kiện về loại kết cấu công trình, về giải pháp kiếntrúc, thi công, điều kiện về kinh tế kỹ thuật,…mà sử dụng các loại dầmkhác nhau.Chẳng hạn với những công trình cần vựơt nhịp nhỏ ( thường

là < 6m) thì có thể sử dụng dầm thép hình, với những công trình lớnhơn ( < 18 m) thì có thể sử dụng loại dầm tổ hợp, với những công trìnhvượt nhịp > 36 m thì người ta có thể sử dụng dầm hộp…

Sau một thời gian nghiên cứu đề tài của mình, chúng em tự nhận thấy rằng đối với kết cấu cầu và không có đường sắt chạy qua và với tải trọng như kết cấu chủ yếu chịu mômen uốn vậy thì chúng ta sẽ lựa chọn kết cấu là dầm hàn tổ hợp chữ I vì:

Là dầm được làm từ các bản thép hoặc từ các bản thép và cácthép hình.Vì dùng liên kết hàn để liên kết các bộ phận của dầm thì dầmđược gọi là dầm tổ hợp hàn

Dầm tổ hợp hàn gồm 3 bản thép, 2 bản đặt nằm ngang gọi là 2cánh dầm, bản đặt thẳng đứng gọi là bụng dầm

Với dầm thép chữ I do có tiết diện đối xứng, lại có mômen chốnguốn đối với trục x-x khá lớn nên rất hợp lý với những dầm chịu uốnphẳng như dầm sàn nhà,dầm sàn công tác, dầm cầu …

Tính toán chi tiết của dầm như liên kết cánh với bụng,…cụ thểnhư sau:

+ Chọn tiết diện dầm

+ Thay đổi tiết diện dầm theo chiều dài, dày

+ Kiểm tra độ bền, độ võng, độ ổn định của dầm tổ hợp

+ Ổn định tổng thể của dầm thép

Ngoài cách tính cổ điển trên ngày nay người ta còn sử dụng phầnmềm tính toán kết cấu Midas Kinh nghiệm thiết kế cho thấy khi nhịp

hoặc là không đủ bền hoặc là độ cứng không đảm bảo điều kiện ổnđịnh tổng thể, nếu đủ thì kết cấu sẽ nặng nề và tốn thép.Trong trườnghợp này dùng dầm tổ hợp sẽ kinh tế hơn Do đó phạm vi áp dụng củadầm tổ hợp sẽ rộng rãi hơn

II PHÂN TÍCH KẾT CẤU

II.1 Các thông s ố :

-Chiều dài cầu M = 18 mét

-Số lượng xe nằm yên trên cầu n= 6 xe

-Tải trọng mỗi xe Q= 80 tấn

-Các xe được nằm dàn đều trên nhịp cầu

II.2 Phân tích , ch ọn tiết diện dầm

Dầm tổ hợp Dầm định hình

Dầm định hình có ưu điểm là tiết kiệm công chế tạo nhưng nhượcđiểm là độ dày bản bụng lớn quá yêu cầu về cường độ và ổn định cục

bộ tuy nhiên dầm định hình vẫn được sử dụng phổ biến, chỉ khi khôngdung được dầm định hình mới dung dầm ghép

Dầm tổ hợp được tạo bởi các bản thép, liên kết với nhau bằnghàn hoặc đinh tán Dầm hàn dễ chế tạo, do đó thường hay dùng Dầm

tổ hợp có thể chế tạo các kết cấu có kích thước lớn, tiết diện dầm cóthể thay đổi theo chiều dài, do đó có thể tiết kiệm được vật liệu Dầmchữ I có nhược điểm là chịu uốn trong mặt phẳng kém, chịu xoắn kém

và dễ gây mất ổn định tổng thể, do đó cần phải có các liên kết theophương ngang

Do những yêu cầu của kết cấu chúng ta chế tạo, sau khi phântích chúng ta đi đến quyết định lựa chọn dầm ghép tổ hợp.

Dầm ghép tổ hợp chữ I gồm:

+ Hai bản cánh+ Một bản bụng

nó đánh giá khả năng chịu lực và giá thành của dầm

Trong quá trình chế tạo kết cấu việc tính toán và lựa chọn cáckích thước hợp lý sẽ tạo cho kết cấu sự hoàn hảo nhất đảm bảo đượccác yêu cầu kỹ thuật và kinh tế

Thường trong quá trình chế tạo kết cấu dầm chữ I chúng tathường phải tính toán nhiều lần mới đảm bảo được yêu cầu về độbền.Thông thường giữa các lần đó thì ta phải thay đổi các kích thướccủa bản cánh và bụng Tuy nhiên sự thay đổi này vẫn phải đảm bảo cáckích thứớc tối thiểu đã được quy định.

Các kết cấu phụ

• Sàn cầu: Được thiết kế thi công đảm bảo điều kiện đủ bềnvới tải trọng tác dụng ( gồm 6 ôtô và các kết cấu phụ ) Do đó ta chọnsàn cầu bằng bê tông cốt thép nhằm đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật vàkinh tế

• Lan can tay vịn: Đây là hệ thống ngăn cách giữa phần mépbiên cầu và phần không gian ngoài của cầu

• Hệ thống biển báo: Đây là những chi tiết không thể thiếu khithiết kế một kết cấu cầu

• Gân tăng cường cho dầm chữ I Các gân tăng cường thường

là thép tấm hoặc thép góc được hàn hoặc liên kết bằng bulông vào haibên bản bụng của dầm chữ I Gân tăng cường có tác dụng tăng tính ổnđịnh của dầm

- Tích chất của vật liệu sử dụng chế tạo

- Điều kiện làm việc và phương pháp tính toán, yêu cầu mức

độ tính toán

- Tính chất quan trọng của kết cấu và yêu cầu về tuổi thọ

- Tính chất của tải trọng tác dụng (tĩnh hay động) và mức độphản ánh chính xác

Với yêu cầu của kết cấu của chúng ta chọn hệ số an toàn n = 1,5( theo TCVN 2737-1995)

- Qua khảo sát thực tế và căn cứ vào trọng tải của xe, số lượng nguy hiểm nhất

có thể gây ra tải trọng lớn nhất trên một nhịp cầu ta chọn cầu có kích thước, và số lượngdầm

Vậy cầu có thước như sau:

a) Chọn sơ bộ khối lượng dầm md = 5000 (kG)

b) Khối lượng và kích thước của bê tông:

- Đổ lớp bê tông có chiều dày tbtct= 20 (cm)

- Khối lượng riêng Dbtct= 2500 (kG/ m3)= 25.10− 4(kG/cm3)

Ta có: Vbtct= 20 1800 1000 = 36.106 (cm3)

→ mbtct= 36.106 25.10− 4= 90 000 (kG)

c) Khối lượng của lan can

+ Chiều cao đế bệ đỡ : hđ = 10 cm

+ Chiều cao trên : ht = 30 cm

e) Khối lượng của phụ kiện:

Phụ kiện của cầu như : cột đèn, đường ống, …

Xe nằm yên trên cầu nên tải trọng mà một dầm phải chịu là:

Qt = Qtx + Qx = 23 475 + 96 000 = 119 475 (kG)

Ta có biểu đồ mô men như hình:

Biểu đồ lực cắt và mô men do lực Q gây ra -Xác định phản lực ở gối tựa:

hmin = [ ] = 400 = 109.5 cm

f: Cường độ tính toán thép C (TCVN 5709 : 1993) Bảng I.1 Tr285 [I]E: Mô đun đàn hồi của thép

l: chiều dài nhịp[ ] : Tỷ số độ võng trên nhịp giới hạn Bảng I.15 Tr307 [I]

Mômen kháng uốn cần thiết :

: Giá trị hệ số điều kiện làm việc Bảng I14 Tr306 [I]

Từ các số liệu trên thay vào công thức 3.19 Tr116 KCH, tính được chiều cao kinh tế :

Vb= 1,5.130.1800 = 351 000 (cm3)

→ Vd= 2.180 000 + 351 000= 711 200 (cm3)

→ md= 711 200.7,85 10− 3= 5580 (kG)

chọn md = 5000 (kG) như ban đầu là hợp lý

III.2 Kiểm tra tiết diện dầm đã chọn

Kiểm tra bền tiết diện:

+) Ứng suất do mô men uốn sinh ra:

Do mô men uốn gây ra:

Với ( là mô men chống uốn)

Iy= Ic+ Ib (mô men quán tính bậc hai của tiết diện)

Mô men uốn:

< [σc ]/ 1,5 = 1600 (kG/ cm2)

→ dầm đảm bảo điều kiện bền và không phải sử dụng thêm gân tăng cứng

+) Kiểm tra ứng suất cắt:

[ ] = (0,5 0,6) [σc ]= (1200 ÷ 1400) (kG/ cm2)

Ứng suất tiếp do lực ngang là:

S : Là mô men quán tính của nửa tiết diện

Theo yêu cầu của việc nối dầm nên nối dầm ở vị trí M 0,85Mmax và phươngthức nối dầm : ta có thể nối 1 đoạn dầm 6m với đoạn dầm 12m Sau đó sắp xếp các dầmđảo chiều xen kẽ nhau (12m-6m với 6m-12m)

- Khi hàn đối đầu góc xiên nên chọn góc từ 450 -600 Ở đây ta sử dụng hàn đối đầugóc xiên 450 cho bản bụng

- Trình tự hàn như sau:

 Để giảm ứng suất và biến dạng, khi hàn đường hàn góc liên kết cánh và bụng ,ởđầu đoạn dầm chỗ gần mối nối cần để lại một đoạn khoảng 500 mm

 Hàn đường hàn nối bản bụng dầm trước (đường hàn số 1)

 Tiếp theo là các đường hàn nối bản cánh dầm (đường hàn số 2) vì các đường này

có tiết diện và độ co ngót ngang lớn

 Cuối cùng hàn bổ sung các đoạn hàn liên kết (đương hàn số 3).các đường hàn số

3 có co ngót dọc không lớn nên không gấy ứng suất phụ

Do độ bền chịu nén của đường hàn đối đầu không nhỏ hơn của thép làm dầm nênđường hàn nối bản cánh chịu nén và bản bụng dùng đường hàn đối đầu thẳng góc vàđược nối trên cùng một tiết diện

Dựa vào biểu đồ momen của dầm chịu lực ta có:

2

1

2 2

3

3

500 500

Momen tại vị trí nối dầm ( )

= 14934375 Kg.cmNhư vậy thỏa mãn điều kiện nối dầm.

Lực cắt tại vị trí đó:

Nhưng do hàn ngấu hết bề dày bản thép nên mối hàn đảm bảo bền

III.4 Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng:

Cánh và bụng dầm tổ hợp là những bằng thép mỏng mà trong mặt phẳng của nóchịu tác dụng của tổ hợp các loại ứng suất Bản cánh nén chịu tác dụng của ứng suất nén;vùng bản bụng ở đầu dầm chịu tác dụng của ứng suất cắt; vùng bản bụng ở giữa dầm chịunén bởi ứng suất uốn Dưới tác dụng của các ứng suất đó, cánh nén hoặc bản bụng củadầm có thể bị vênh oằn từng phần ra ngoài mặt phảng của nó Hiện tượng như vậy gọi là

sự mất ổn định cục bộ của dầm

Mất ổn định cục bộ

Khác với hiện tượng mất ổn định tổng thể làm hình dạng chung của dầm thay đổi,hình dạng tiết diện không đổi; còn sự mất ổn định cục bộ không làm thay đổi hình dạngchung của dầm, nhưng hình dạng các tiết diện thì bị thay đổi khác nhau và bị biến dạngkhác đi so với hình dạng ban đầu Biến dạng này làm thay đổi thu nhỏ các đặc trưng chịu

lực của tiết diện như mô men kháng uốn W, bán kính quán tính I; tiết diện mất tính đối

xứng, tâm uốn bị thay đổi, cuối cùng là đẩy nhanh tốc độ để dầm sớm bị phá hoại tổngthể Vì vậy cần tìm giả pháp cấu tạo tiết diện, cấu tạo dầm, sao cho sự mất ổn định cục bộkhông xảy ra

III.4.1 Ổn định cục bộ của bản cánh nén