Bài giảng Kết cấu thép 1 Chương 5 - Nguyễn Văn Hiếu

Hệ giằng của dàn gồm ba hệ hình 5.6: - Hệ giằng cánh trên: bố trí ở hai gian đầu hồi của nhà hoặc của một đoạn nhiệt độ và các gian ở phía trong sao cho đảm bảo khoảng cách các gian đ

Đ1 KHÁI NIỆM CHUNG VÀ PHÂN LOẠI

1- Thanh cánh trên; 2- Thanh cánh dưới: 3- Thanh bụng xiên; 4- Thanh đứng

1 Phân loại dàn:

a Theo công dụng:

- Dàn đỡ mái nhà công nghiệp và dân dụng (vì kèo)

- Dàn cầu, dàn cầu trục, tháp trụ, dàn cột điện

b Theo cấu tạo của các thanh dàn:

 Dàn nhẹ: nội lực các thanh nhỏ, thanh dàn cấu tạo

từ 1 thép góc hoặc 1 thép tròn

 Dàn thường: nội lực trong các thanh cánh < 500T

 Dàn nặng: nội lực các thanh cánh lớn nhất > 500T, tiết diện thanh dàn dạng

tổ hợp (hình 5.2)

Hình 5.1 Tiết diện thanh giàn nhẹ

Hình 5.2 Tiết diện thanh giàn nặng

2 Hình dạng dàn:

Lựa chọn dàn thoả mãn các yêu cầu sau:

- Phù hợp với yêu cầu sử dụng

- Thoả mãn yêu cầu kiến trúc và thoát nước mái

- Kích thước và cách bố trí cửa trời

- Cách liên kết dàn với cột, độ cứng cần thiết của mái

- Yêu cầu về kinh tế

Các loại dàn thông dụng:

a Dạng tam giác (hình 5.4a, b):

- Đầu dàn nhọn, liên kết khớp với cột, độ cứng ngoài

mặt phẳng không lớn

- Chịu lực không phù hợp với biểu đồ mômen uốn,

lãng phí vật liệu Dùng khi tấm lợp nhẹ, độ dốc mái lớn

b Dàn hình thang (hình 5.4c):

- Chiều cao đầu dàn lớn, có thể liên kết cứng với cột

- Phù hợp với biểu đồ mômen, độ dốc nhỏ

c Dàn cánh song song (hình 5.4d, e):

- Có nhiều thanh cùng chiều dài, nút giống nhau

d Dàn đa giác (5.4h) và dàn cánh cung (5.4k):

- Phù hợp biểu đồ mômen, tiết kiệm vật liệu

- Chế tạo phức tạp.

Hình 5.4 Các dạng giàn

d L

3 Hệ thanh bụng của dàn: Bố trí hệ thanh bụng cần thoả mãn các yêu cầu sau:

- Cấu tạo nút đơn giản và có nhiều nút giống nhau

- Tổng chiều dài thanh bụng nhỏ

- Góc giữa thanh cánh và thanh bụng không quá nhỏ

- Thanh cánh không bị uốn cục bộ bởi tải trọng đặt ngoài nút

a Hệ thanh bụng tam giác (5.5a,b): Góc hợp lý giữa thanh bụng và

thanh cánh 45 0 đến 55 0

b Hệ thanh bụng xiên (5.5c, d):

- Hệ thanh bụng cùng loại thì cùng một loại nội lực

- Góc hợp lý giữa thanh bụng và thanh cánh dưới 350- 450

- Chiều dài thanh bụng lớn, nhiều nút, tốn công chế tạo

c Hệ thanh bụng phân nhỏ (5.5đ): giảm l x cho cánh trên

d Các dạng hệ thanh bụng khác:

- Chữ thập (5.5g) tạo nên hệ siêu tĩnh cứng, dàn cầu hoặc hệ giằng

mái

- Hình thoi (5.5h) để tiện cho việc nối thanh cánh

- Hình chữ K (5.5k), tăng độ cứng cho dàn và giảm l x thanh bụng

đứng Dùng chịu lực cắt lớn như dầm, cầu, tháp trụ v.v Hình 5.5 Các hình thức bố trí thanh bụng

- Dàn tam giác có góc dốc  35  45 0cũng như nhịp lớn có thể sử dụng hệ thanh (5.5i), tiết kiệm vật liệu.

 a)

d

4 Kích thước chính của dàn:

a Nhịp dàn (L):

- Dựa trên kiến trúc, mục đích sử dụng, giải pháp kết cấu

- Dàn liên kết khớp với cột: dàn kê lên đầu cột thì L là khoảng

cách hai tâm gối tựa, liên kết cạnh bên với cột thì L là khoảng

cách mép trong giữa hai cột

- Nhà công nghiệp lấy theo môdun 6m

b Chiều cao dàn (H):

- Với dàn cánh và dàn song song, H= 1 / 5  1 / 6 L , theo yêu cầu

vận chuyển nên thường lấy bằng 1 / 7  1 / 9 L

- Với dàn tam giác, H phụ thuộc độ dốc của cánh trên Khi mái

dốc 22  0 40 0 H dan= 1 / 41 / 3 L, nếu mái lợp có yêu cầu độ dốc

nhỏ hơn thì làm dàn tam giác có chiều cao đầu dàn là 450mm

c Khoảng cách nút dàn: khoảng cách nút dàn ở cánh trên nên

chọn bằng khoảng cách xà gồ 1,2 -3,0m

d Bước dàn (B): xác định từ yêu cầu kiến trúc và dây chuyền

công nghệ, phù hợp với môđun thống nhất các cấu kiện lắp ghép

như tấm tường, tấm mái v.v và thoả mãn yêu cầu kinh tế

Hình Độ vồng trước của giàn

Khi giàn mái có nhịp lớn hơn 36 m, nên làm độ vồng cấu tạo Độ vồng cấu tạo lấy bằng độ võng của giàn do tĩnh tải và hoạt tải dài hạn gây ra Đối với các loại mặt mái bằng (giàn có cánh song song), độ vồng cấu tạo của giàn lấy không phụ thuộc độ lớn của nhịp và bằng độ võng do tổng tải trọng tiêu chuẩn gây nên cộng với 1/ 200 nhịp )

5 Hệ giằng không gian:

Dàn là kết cấu mảnh theo phương ngoài mặt phẳng

cho nên dễ mất ổn định theo phương ngoài mặt phẳng

uốn, vì vậy dùng hệ giằng để tạo ra khối không gian

ổn định

Hệ giằng của dàn gồm ba hệ (hình 5.6):

- Hệ giằng cánh trên: bố trí ở hai gian đầu hồi

của nhà hoặc của một đoạn nhiệt độ và các gian ở phía

trong sao cho đảm bảo khoảng cách các gian được bố

- Hệ giằng cánh dưới: bố trí tại gian có hệ giằng cánh trên Giằng cánh dưới cùng giằng cánh trên tạo nên khối cứng bất biến hình và tạo những điểm cố kết không chuyển vị theo phương ngoài mặt phẳng dàn

- Hệ giằng đứng: Theo phương nhịp dàn các hệ giằng đứng đặt cách nhau không quá 15m Cùng với giằng cánh trên và cánh dưới tạo nên khối cứng không gian bất biến hình và cố định, giữ ổn định khi lắp dựng dàn Các gian không bố trí giằng được thay bằng thanh chống dọc

Hệ giằng còn có tác dụng làm giảm chiều dài tính toán theo phương ngoài mặt phẳng dàn cho thanh cánh

b

d g

e e' g' a'a'

b'

c'

- Hệ giằng ngang theo phương

ngang nhà được bố trí ở mức cánh trên

hoặc cánh dưới của giàn vì kèo tại các

nhịp ở đầu mỗi khối nhiệt độ

- Khi bố trí hệ giằng chéo chữ

thập, việc tính toán chúng cho phép

theo sơ đồ quy ước với giả thiết thanh

xiên chỉ chịu kéo

Bảng 46 – Khoảng cách lớn nhất giữa các khe nhiệt độ của khung thép nhà và công trình một tầng Đơn vị tính: m

Đặc điểm của nhà và công trình

Khoảng cách lớn nhất Giữa các khe nhiệt độ Từ khe nhiệt độ hoặc từ đầu mút nhà đến trục của

hệ giằng đứng gần nhất Theo dọc nhà Theo ngang nhà

Ghi chú: Khi trong phạm vi khối nhiệt độ của nhà và công trình có hai hệ giằng đứng thì khoảng cách giữa các trục của chúng không vượt quá: 40  50m đối

với nhà; 25  30m đối với cầu cạn lộ thiên

Đ2 TÍNH TOÁN DÀN

1 Các giả thiết khi tính toán:

- Trục các thanh đồng quy tại tim nút dàn, lực tập trung đặt trực tiếp vào nút dàn;

- Xem nút dàn là khớp

2 Tải trọng tác dụng lên dàn:

Bao gồm hai loại tải trọng chính:

- Tải trọng thường xuyên: trọng lượng của các kết cấu trong

phạm vi mái như tấm lợp, tấm chống thấm

- Tải trọng tạm thời: trọng lượng của người và thiết bị sửa

chữa mái, gió, cần trục

Tải trọng được quy đổi thành lập tập trung đặt tại nút dàn theo

công thức:

2

d d

) cos / q q

(

trong đó: F i- lực tập trung đặt tại nút thứ i;

i 1

 - hệ số độ tin cậy về tải trọng ứng với q tc;

- góc nghiêng của thanh cánh trên với phương ngang

3 Nội lực:

Dùng các phương pháp của cơ học kết cấu để xác định nội lực dàn, tính trong từng trường hợp riêng rẽ, sau đó tổ hợp để tìm nội lực nguy hiểm nhất

Dàn vì kèo cần tính toán cho các tải trọng sau:

- Tải trọng thường xuyên đặt cả dàn

- Tải trọng sửa chữa mái đặt 1/2 và đặt cả dàn

- Tải trọng gió

- Tải trọng cầu trục (nếu có)

Trường hợp có tải trọng tập trung đặt ngoài nút thì thanh dàn

chịu nén cục bộ Mômen uốn cục bộ xác định gần đúng theo sơ

đồ đơn giản, gối tựa là nút dàn, nhịp là khoảng cách hai nút

Giá trị mômen cục bộ M được xác định theo công thức: cb

4

d P

4 Chiều dài tính toán các thanh dàn:

Chiều dài tính toán của thanh tính theo 2 phương: lx và ly

a Chiều dài tính toán trong mặt phẳng:

Nút dàn có độ cứng nhất định nên không phải là khớp lý tưởng: các

thanh quy về nút khi chịu kéo chống lại sự xoay của nút Quy ước: nút

có nhiều thanh nén hơn thanh kéo coi là khớp; ngược lại coi là ngàm

đàn hồi

Thanh hai đầu khớp: l x  l l

Thanh hai đầu ngàm đàn hồi: l x  l 0 8 l

Chiều dài tính toán trong mặt phẳng dàn của các thanh lấy như sau: Hình 5.8 Sơ đồ xác định chiều dài tính toán thanh dàn

- thanh cánh trên l x  ; l

- thanh cánh dưới l x  ; l

- thanh xiên đầu dàn l x  ; l

- các thanh bụng còn lại l x  0 8 l;

Dàn có thanh bụng phân nhỏ, chiều dài tính toán trong mặt phẳng dàn của các thanh bụng có nút dàn phân nhỏ lấy bằng khoảng cách nút dàn ở thanh khảo sát đó

b ChiÒu dµi tÝnh to¸n ngoµi mÆt ph¼ng:

ChiÒu dµi tÝnh to¸n ngoµi mÆt ph¼ng dµn cña c¸c thanh bông: l y  l

Dµn cã hÖ thanh bông ph©n nhá, c¸c thanh bông nÐn (cã chøa nót dµn ph©n nhá) cã hai trÞ sè néi lùc

N1 vµ N2, (N  1 N 2) th×:

l

N

N 25 0 75 0 l

l

N

N 25 0 75 0 l

Bảng 25 Độ mảnh giới hạn của các thanh chịu nén

1 Thanh cánh, thanh xiên và thanh đứng nhận phản lực gối:

2 Các thanh (trừ những thanh đã nêu ở mục 1 và 7):

a) Của giàn phẳng bằng thép góc đơn; hệ mái lưới thanh không gian và hệ thanh không gian rỗng bằng thép góc đơn, tổ hợp từ hai

6 Các thanh giằng (trừ các thanh đã nêu ở mục 5), các thanh dùng để giảm chiều dài tính toán của thanh nén và những thanh không

chịu lực mà không nêu ở mục 7 dưới đây

200

7 Các thanh chịu nén hoặc không chịu lực của hệ thanh không gian rỗng, tiết diện chữ T, chữ thập, chịu tải trọng gió khi kiểm tra độ

Ghi chú:  = N /(AR c ) - hệ số  lấy không nhỏ hơn 0,5 (khi nén lệch tâm, nén uốn thay  bằng  e )

Bảng 26 Độ mảnh giới hạn của các thanh chịu kéo

8 Các thanh của hệ thanh không gian rỗng có tiết diện chữ T hoặc chữ thập chịu tác dụng của tải trọng gió khi kiểm tra

Ghi chú: 1 Trong các kết cấu không chịu tải trọng động chỉ cần kiểm tra độ mảnh của thanh trong mặt phẳng thẳng đứng

2 Không hạn chế độ mảnh của thanh chịu kéo ứng lực trước

3 Tải trọng động đặt trực tiếp lên kết cấu là tải trọng dùng trong tính toán về bền mỏi hoặc trong tính toán có kể đến hệ số động.

5 Tiết diện hợp lý của các thanh dàn:

Các thanh dàn là các cấu kiện kéo nén đúng tâm nên tiết diện hợp lý là sự làm việc theo hai phương xấp xỉ nhau (x  y ) Tiết diện thanh dàn thường dùng các dạng sau:

- Hai thép góc không đều cạnh, ghép cạnh lớn (hình a), có

- Hai thép góc đều cạnh ghép lại (hình c), có i  x 0 75 i y, hợp lý

cho những thanh dàn có l  x 0 8 l y(thanh bụng)

- Hai thép góc đều cạnh ghép lại dạng chữ thập (hình d), thường

dùng cho thanh đứng tại vị trí khuếch đại dàn

6 Chọn và kiểm tra tiết diện thanh dàn:

a Nguyên tắc chọn tiết diện:

Khi tiến hành tính toán chọn tiết diện thanh dàn trên cơ sở đã biết nội lực, chiều dài tính toán và dạng hợp lý, cần theo nguyên tắc sau:

- Tiết diện thanh nhỏ nhất là L50  5

- Trong một dàn L  36 m nên chọn không quá 6 đến 8 loại thép

- Với nhịp dàn L nhỏ hơn hoặc bằng 24m thì không cần thay đổi tiết diện thanh cánh Khi L  24 m thì thay đổi tiết diện để tiết kiệm và dùng không quá hai loại tiết diện với L  36 m

- Bề dày bản mã được chọn dựa vào lực lớn nhất ở thanh xiên đầu dàn, lấy theo bảng 5.1

b Chọn và kiểm tra tiết diện thanh chịu nén:

Tiến hành như cấu kiện chịu nén đúng tâm Diện tích cần thiết của tiết diện thanh được xác định theo công thức:

c

ct

f

N A

 - hệ số điều kiện làm việc, lấy theo bảng I.14 - Phụ lục I;

f- cường độ tính toán của thép tính bằng daN/cm2;

- hệ số dọc lấy theo bảng, phụ thuộc độ mảnh và cường độ tính toán R

Khi chọn tiết diện, giả thiết   60  80với thanh cánh;  100  120với thanh bụng Có A ct, dựa vào bảng thép góc, xác định được số hiệu thép góc cần dùng, tra được các đặc trưng hình học của tiết diện

 - hệ số, tra bảng phục thuộc độ mảnh max( và x  ) y

Trường hợp thanh cánh có uốn cục bộ thì phải tiến hành tính toán theo cấu kiện nén lệch tâm

c Chọn và kiểm tra tiết diện thanh chịu kéo:

Diện tích cần thiết của tiết diện thanh được xác định theo công thức:

c

ct

f

N A



 (5.9)

Dựa vào dạng tiết diện hợp lý, tra bảng thép định hình ra các đặc trưng hình học của tiết diện i x , i y , A g

Kiểm tra lại tiết diện đã chọn theo công thức: c

min

.

f A

d Chọn tiết diện thanh theo độ mảnh giới hạn:

Với một số tiết diện thanh có nội lực nhỏ, có thể chọn tiết diện theo   , có

x xct

l

i  và

y yct

l

Với đặc trưng hình học i xvà i y trong các bảng thép góc, xác định được số hiệu thép góc làm tiết diện thanh

Đ3 CẤU TẠO TÍNH TOÁN NÚT DÀN

1 Nguyên tắc chung:

- Trục các thanh dàn được đồng quy tại tim nút dàn, tim nút nằm trên trục của thanh cánh, nếu thanh cánh có thay đổi tiết diện, cho hội tụ tại trục trung bình hoặc trục của thanh lớn nếu khoảng cách giữa hai trục không lớn quá 1.5% chiều cao của thanh thép góc

- Dùng đường hàn góc liên kết thanh dàn với bản mã: h f 4 mm ; l f 50 mm

- Khoảng cách đầu thanh bụng với thanh cánh

- Thanh cánh thay đổi tiết diện được nối tại nút

dàn Khoảng cách hở giữa hai đầu thanh bằng

50mm

2 Nút gối:

a Cấu tạo: Khoảng cách giữa mặt dưới của thanh cánh dưới và

bản gối lấy lớn hơn hoặc bằng 150mm để dễ cấu tạo

b Tính toán:

Bản đế tính toán như bản đế ở chân cột nén đúng tâm, chiều

dày  30 mm, lớn hơn gia cường bằng đôi sườn số 3

Đường hàn liên kết bản mã, thanh đứng (hoặc sườn gia cường)

vào bản đế tính chịu lực phản lực đầu dàn F Tổng chiều dài

đường hàn:

min w f

c

w

) f ( h

F l







 (5.14)

Với:lw- chiều dài tính toán một đường hàn;

Đường hàn liên kết các thanh cánh vào bản mã được tính chịu

nội lực của thanh đó

đường hàn sống:

min w 1

f c

1 w

) f ( h

kN l

f c

2 w

) f ( h

N ) k 1 ( l

I I

1

2 1

I I

2 1

3

I I

I I

I I I I

) f ( h

kN l

) f ( h

N ) k 1 ( l

Đường hàn liên kết thanh cánh vào bản mã :

- Chịu N  N 2  N 1 (N 2 , N 1là nội lực của hai thanh cánh);

- N  0 thì lấy 10% trị số nội lực của thanh ;

- Nphân phối về đường hàn sống và mép theo tỷ lệ k và (1-k)

- Hàn đứt quãng nhưng chiều dài mỗi đoạn không nhỏ hơn 50mm

Trường hợp tại nút có lực tập trung P:

Hình 5.12 Nút trung gian có lực tập trung

- Lực P chia đều cho đưòng hàn sống và mép: P/2;

- N  0 thì lấy 10% trị số nội lực của thanh ;

- Khi độ dốc thanh cánh nhỏ hơn hoặc bằng

1

2

P )

N k (

2

2

P N

k 1

P/2 R

a)

2

1 N

4 Nút đỉnh:

Tính toán: lực dùng để tính toán N t 1 2 N

Diện tích chịu lực N t A qu  A gh  2 b g t bm (5.19)

trong đó: Aqu - diện tích quy ước;

Agh - diện tích tiết diện ngang của bản ghép;

bg - bề rộng cánh thép góc (phần cánh liên kết với bản mã);

trong đó: t - ứng suất ở diện tích quy ước

Các đường hàn liên kết bản ghép vào thanh cánh

chịu :N gh  t A gh (5.21);

 wmin

f c

gh w

f h

N l

- Các đường hàn liên kết thanh cánh vào bản mã tính chịu lực còn lại N c  N t N gh nhưng

2

N t

Khi tính chịu lực Nc, các đường hàn sống và mép cùng chịu lực như nhau

- Hai đường hàn liên kết bản nối với nửa bản mã tính chịu Nc

- Bốn đưòng hàn nằm ngang liên kêt sườn với bản ghép tính chịu lực: N d  2 N gh sin (5.24)

- Các đường hàn liên kết thanh bụng vào nút tính chịu nội lực của thanh đó

5 Nút giữa cánh dàn dưới:

a Cấu tạo:

b Tính toán:

Khi có thanh xiên liên kết vào nút thì hai đường hàn liên kết bản

nối với nửa bản mã tính chịu lực còn lại trừ đi thành phần ngang của

nội lực xiên (nội lực thanh xiên được tăng 1.2 lần)

Gọi nội lực trong bản nối Nbn:

N bn  N c 1 , 2 N cos (5.25)

trong đó: N - nội lực thanh xiên;

Nội lực Nbn là kéo, do khoan lỗ bắt bulông lắp tạm trước khi

hàn, phải kiểm tra sự làm việc chịu kéo của tiết diện bản nối bằng

công thức sau:

N bn  A bn  A lỗc f (5.26)

Hình 5.14 Nút giữa giàn 1– bản nối; 2; bản ghép; 3– sườn gia

2 1

2