Hướng Dẫn Bài Tập Lớn Kết Cấu Thép 1

Hướng dẫn làm bài tập lớn kết cấu thép 1. GVHD: TS. Đỗ Đại Thắng. Bộ môn công trình, Khoa KT Xây dựng. Trường Đại học Bách Khoa, Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh. Chúc các bạn đạt kết quả cao trong môn học này. Cảm ơn các bạn đã quan tâm tới tài liệu này.

Trang 1

TS ĐỖ ĐẠI THẮNG

Bộ môn Công trình, Khoa KT Xây dựng,

Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TPHCM

E-mail: dodaithang@yahoo.com

2

[1] Kết cấu thép – Đỗ Đào Hải (chủ biên) – NXB ĐH Quốc gia TpHCM -2009

[2] Kết cấu thép – Phần cấu kiện cơ bản - Phạm Văn Hội (chủ biên) - NXB KHKT – 2006

[3] TCXDVN 338:2005 Kết cấu thép Tiêu chuẩn thiết kế -NXB Xây dựng - 2009

[4] TCVN 2737:1995 Tải trọng và tác động Tiêu chuẩn thiết

kế - NXB Xây dựng

3

Đ ề bài

Số liệu:

ℓ (m): nhịp bản sàn

B (m): nhịp dầm phụ

n: số dầm phụ

L(m): nhịp dầm chính L= ℓ x n

pc(KN/m2): hoạt tải tiêu chuẩn

Thi ết kế hệ dầm sàn thép

Vật liệu:

- Thép f = 21 KN/cm2

E = 2.1x104KN/cm2

γ =7850 kg/m3

- Que hàn E42, hàn tay, kiểm

tra bằng PP thông thường

Yêu cầu: Thiết kế

- Bản sàn thép tấm

- Dầm phụ bằng thép định hình

- Dầm chính bằng thép tổ hợp

- Mối nối sàn và dầm phụ, mối nối dầm phụ và dầm chính

Hình thức trình bày khổ A4 : Thuyết minh (viết tay)

DÇm chÝnh DÇm phô

L

Gồm các cột và 2 hệ dầm đặt vuông góc với nhau để cùng chịu lực:

- Hệ dầm phụ tựa trên hệ dầm chính; nhịp dầm phụ là B

- Hệ dầm chính tựa trên các cột

Nhịp dầm chính là L;

Hệdầm phổthông

Cột

Thích hợp cho sàn vượt nhịp L tương đối lớn và chịu tải trọng q lớn :

q ≤ 30kN/m2; L x B ≤ 36 m x 12 m

Trang 2

Liên kết bằng mặt:

Mặt trên của dầm chính

và dầm phụ đều nằm

cùng một cao độ, nên

chiều cao của dầm chính

chính là chiều cao của

hệ dầm

Bản sàn được kê bốn cạnh (gối lên cả dầm phụ và dầm chính) nên độ cứng

và khả năng chịu lực đều tăng => hay được sử dụng

Liên kết bằng mặt có cấu

tạo phức tạp, tốn các chi

tiết liên kết;

h = hdc

Dầm chính

Dầm phụ

=> Hệ dầm phổ thông với liên kết bằng mặt hay được sử dụng

Liên kết dầm với nhau

Dầm phụ

6

Liên kết thấp:

Liên kết bằng mặt:

7

c c

tc g p

tt c c

g p

q = γ g + γ p γg=1.1; γp=1.2

12-14

>30

10-12 30

8-10 20

6-8 10

Chiều dày bản sàn δ: chọn sơ bộ, căn cứ theo họat tải tiêu chuẩn

và nhịp sàn

Tải trọng tiêu chuẩn

Tải trọng tính tóan

Họat tải tiêu chuẩn (kN/m2) Bề dày sàn (t, mm)

1 Thiết kế sàn thép

a) Tải trọng

8

Bản sàn thép được tính như ô bản đơn

Cắt 1 dải rộng 1cm theo phuơng cạnh ngắn.

Sàn làm vịệc như 1 dầm đơn giản có 2 gối tựa là 2 dầm phụ chịu tải trọng phân bố đều.

b) Sơ đồ tính

Sơ đồ tính tóan bản sàn thép

Trang 3

Để tính ℓ thì đầu tiên phải chọn bề dày bản δ trước sau

đó tính ℓtheo 2 cách: cách tính theo công thức gần đúng

và cách tra bảng

Cách 1: tính theo công thức gần đúng

⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛ +

q n E n

4 1

0 72 1 15

4

δ

A

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

=

A

f

n0

2

E

Độ võng tương đối cho phép của bản sàn

c) Xác định kich thước bản sàn thép

10

Cách 2: dùng bảng tra

Phụ thuộc vào tải trọng q và độ võng cho phép [Δ/ℓ]

c) Xác định kich thước bản sàn thép

11

0

1 1

Δ = Δ

+ α

c 4 0

1

384 E I

1

δ α

0 1 1

Δ

≤ ⎢ ⎥ + α ⎣ ⎦

Cấu kiện chịu uốn kéo đồng thời, tiết diện δ x 1cm

c

f W

M F

σ = + max ≤ ⋅

2

q 2

D

H= γ π α

A 12

3

1δ

E

D=

Hf q

M

tt

−

= 8

2 max

A

Lực kéo H tại gối tựa bản

Moment uốn max ở giữa nhịp

d) Kiểm tra độ võng

e) Kiểm tra độ bền

2 x 2

EI

H=π α A

hoặc

12

Đuờng hàn góc có chiều dài 1 đơn vị (1 cm) Chiều cao hfphải đủ chịu lực lực kéo H

f

H h

γ

β min

=

f) Kiểm tra đường hàn

( ) β f min = min [ ( βf, fwf ) ; ( βs, fws) ]

Trang 4

2 THIẾT KẾ DẦM THÉP HÌNH

14

2.1 Chọn sơ bộ tiết diện dầm

Chọn sơ bộ tiết diện dầm theo yêu cầu

chính để chịu Mmax

Mmax

15

Chọn hình dạng tiết diện của dầm: chọn dạng tiết diện chữ I

Sử dụng bảng thép định hình tiết diện chữ I để tìm số hiệu

thép có Wx đảm bảo điều kiện trên

Xác định mômen kháng uốn yêu cầu theo điều kiện bền chịu Mmax:

c x

x

f M

γ

W

max

,

max

c

x x

f

M

γ

⋅

≥ , max

W

Các thông số cần tra bảng để cho bước sau:

- Các đặc trưng hình học của tiết diện được chọn: Ix, Wx, Sx, tw

- Trọng lượng trên 1 m dài (gd)

y

2.1 Chọn sơ bộ tiết diện dầm

Dầm làm việc giai đọan đàn hồi:

,max

W 1.15

x x

c

M

f γ

≥

⋅

Dầm làm việc giai đọan dẻo:

γc=0.9 hệ số làm việc

i

hệ số 1.15 xét đến sự phát triển biến dạng dẻo

16

Trang 5

17 18

2.2 Kiểm tra tiết diện dầm chọn

a) Ki ể m tra b ề n (TTGH 1)

• Theo điều kiện bền chịu uốn tại tiết diện có Mmaxvà Q = 0;

• Theo điều kiện bền chịu cắt tại tiết diện có Qmaxvà M = 0;

• Theo điều kiện bền chịu đồng thời uốn và cắt tại tiết diện có

M và Q cùng lớn;

b) Ki ể m tra đ ộ võng c ủ a d ầ m (TTGH 2) c) Ki ể m tra ổ n đ ị nh t ổ ng th ể c ủ a d ầ m

19

2.2 Kiểm tra tiết diện dầm

a) Kiểm tra bền:

• Theo điều kiện bền chịu mô men uốn M max :

c nx

x

f

M

γ

W

max , max

M x,max : là mô men uốn lớn nhất tại tiết diện giữa dầm do tải trọng tính toán

gây ra, bao gồm cả trọng lượng bản thân của dầm gd

W nx : là mô men kháng uốn của tiết diện thực được kiểm tra đối với trục

x-x (tiết diện đã trừ đi các giảm yếu như do khoét lỗ)

l

Qmax

Mmax (tại tiết diện giữa dầm)

max

th

M

f W

σ = ≤ γ (kể đến trạng thái phát triển dẻo)

20

• Theo điều kiện bền chịu cắt Vmax:

Q max: lực cắt lớn nhất tại tiết diện sát gối dầm do tải trọng tính toán gây ra

S x: mô men tĩnh của một nửa tiết diện đối với trục x-x (tiết diện chữ I);

Trường hợp tổng quát, Sxlà mô men tĩnh của phần tiết diện nguyên bên trên thớ cần tính ứng suất cắt lớn nhất đối với trục trung hoà x-x

fv: cường độ chịu cắt của thép

l

Qmax

Mmax (tại tiết diện sát gối dầm)

max x

x w

f

I t

Trang 6

• Theo điều kiện chịu chịu đồng thời ứng suất pháp, ứng suất tiếp

Hệ số 1.15 kể đến sự phát triển biến dạng dẻo

y I M nx

x⋅

=

x w

Q S

I t

⋅

τ =

⋅

a) Kiểm tra bền

i

c

σ 3 2 1 , 15

1

2+ ≤

=

b) Kiểm tra độ võng của dầm

Δmax: là độ võng lớn nhất của dầm dưới tác dụng của tổ hợp tải trọng

tiêu chuẩn gây ra; và

[Δ/l]: là độ võng tương đối cho phép của dầm, được quy định trong tiêu

chuẩn thiết kế

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡Δ

≤ Δ

l l

max

Công thức kiểm tra độ võng của dầm :

22

i

23

c) Kiểm tra ổn định

Kiểm tra ổn định bao gồm:

- Kiểm tra ổn định cục bộ (local buckling)

- Kiểm tra ổn định tổng thể (global buckling – lateral tortional buckling)

Đối với thép định hình, ổn định cục bộ luôn thỏa

=> chỉ cần kiểm tra ổn định tổng thể

Khi dầm thỏa mãn 1 trong các điều kiện sau thì không cần kiểm tra ổn

định tổng thể

- Khi bản sàn đặt trực tiềp lên cánh chịu nén của dầm

- Dầm được bọc BTCT

- Khoảng cách giữa 2 điểm cố định của cánh chịu nén l0thỏa mãn

điều kiện ở bảng sau

24

3 THIẾT KẾ DẦM THÉP TỔ HỢP

Trang 7

C¸nh dÇm

B¶n bông dÇm

x x

y

t w

t f

t f Bản cánh trên

Bản cánh dưới

Bản bụng

hw h

Tiết diện dầm cần phải đảm bảo:

1 Yêu cầu chịu lực (TTGH 1)

2 Yêu cầu về độ võng (TTGH 2)

3 Yêu cầu về kinh tế (trọng lượng

của dầm là bé nhất)

=> Tuy nhiên, cần xác định chiều cao hợp lý

của dầm hkt(chiều cao kinh tế) để đảm bảo

trọng lượng của dầm là bé nhất

Tăng chiều cao h sẽ rất hiệu quả để

tăng khả năng chịu uốn và giảm độ

võng của dầm

Thiết kế tiết diện dầm bao gồm xác định:

- Chiều cao dầm h

- Bề dày bản bụng tw

hmax: chiều cao lớn nhất của dầm để thoả mãn được yêu cầu về không gian sử dụng và yêu cầu về mỹ quan (qui định theo kiến trúc)

hmin: chiều cao nhỏ nhất của dầm để thoả mãn được điều kiện về độ võng (TTGH 2)

hkt: chiều cao kinh tế của dầm để đảm bảo dầm có trọng lượng bé nhất (Gd = Min)

max min h h

h ≤ ≤

kt

h

h ≈

- Điều kiện bắt buộc:

- Điều kiện nên đảm bảo:

3.1 Chọn chiều cao tiết diện dầm h

C¸nh dÇm

B¶n bông dÇm

x x

y

t w

t f

Bản cánh dưới

Bản bụng

hw h

27

ℓ

c c

p

g ,

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡ Δ

⋅

=

l E

l f h

tb

γ

24

5

min

p c g c

c c

p g

γ γ

+

= 1

w f

C k

ψ

⋅

w

x

kt

t

W

k

với

Trường hợp dầm đơn giản chịu tải trọng

phân bố đều

g c : TT tiêu chuẩn

p c: HT tiêu chuẩn

Dầm tổ hợp hàn thì k = 1,15 ~ 1,20

Để xác định được hkt, cần phải chọn trước tw

tw= 8 ~ 12 mm khi nhịp ℓ = 9 ~ 15 m

3.1 Chọn chiều cao tiết diện dầm h

i

ii

iii

max x

c

M W f.

≥ γ

28

a) Theo điều kiện bản bụng dầm chịu được lực cắt lớn nhất,

Qmax

b) Theo điều kiện ổn định cục bộ

c) Theo công thức kinh nghiệm

và theo cấu tạo

C¸nh dÇm

B¶n bông dÇm

x x

y

t w

Bản cánh trên

Bản cánh dưới Bản bụng

3.2 Chọn bề dầy của

Trang 8

a) Theo điều kiện bản bụng dầm chịu được lực cắt lớn nhất, V max :

C¸nh dÇm

B¶n bông dÇm

x x

y

t w

Bản cánh trên

Bản cánh dưới

Bản bụng

max w

v c

Q

3

t

2 h f

≥ ⋅

⋅ ⋅ γ

Qmax : lực cắt lớn nhất trong dầm do tải trọng tính toán gây ra

Sx : mômen tĩnh của một nửa tiết diện bản bụng dầm đối với trục x-x;

ℓx : mômen quán tính của tiết diện bản bụng dầm đối với trục x-x;

fv : cường độ chịu cắt tính toán của thép làm dầm;

Lấy hw≈h

hw h

2

w w max

w w

w

t h Q

f

t h

12

⋅

i

30

b) Theo điều kiện ổn định cục bộ:

Dầm không sườn có bề dầy bản bụng lớn, nhưng lại không tốn thép để làm sườn và không tốn công để tạo sườn, thuận tiện cho việc tự động hoá trong chế tạo

=> có thể hạ thấp được tổng chi phí chế tạo và dựng lắp

w w

3.2

w w

t

≥

Điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng dầm khi không sử dụng sườn gia cường:

C¸nh dÇm

B¶n bông dÇm

x x

y

t w

Bản cánh trên

Bản cánh dưới

Bản bụng

hw h i

ii

31

c) Theo công thức kinh nghiệm

1000

3

tw = + (mm)

Khi chiều cao dầm h vào khoảng từ 1 ÷ 2 m

và chịu tải trọng thông thường:

Việc chọn twcần phải đảm bảo các yêu cầu về qui

cách của thép bản và bề dày tối thiểu để đảm bảo

chống gỉ

C¸nh dÇm

B¶n bông dÇm

x x

y

t w

Bản cánh trên

Bản cánh dưới

Bản bụng

hw h i

ii

d) Yêu cầu vềcấu tạo

32

3.3 Chọn các kích thước của

a) Theo điều kiện bền chịu mô men uốn lớn nhất , Mmax

b) Theo điều kiện ổn định cục bộ c) Theo yêu cầu cấu tạo

C¸nh dÇm

B¶n bông dÇm

x x

y y

b f

t f

Bản cánh dưới Bản bụng

Trang 9

3.3 Chọn các kích thước bản cánh của dầm b f , t f

a) Theo điều kiện bền chịu mô men uốn lớn nhất M max :

c x

f W

M

γ

σ = max ≤ ⋅

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

⋅ +

⋅

≈ +

⋅

=

4 2

12 2 2

2

2 3

fk f f w w fx

wx x

x

h t b h t h I I

h

I

W

⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛ ⋅

−

⋅

≥

⋅

12 2

max 2

w w c fk

f

h t h f

M h

t

b

γ

⎟⎟

⎞

⎜⎜

−

⋅

≥

⋅

12

max t h h f

M t

c f

C¸nh dÇm

B¶n bông dÇm

x x

y

t w

Bản cánh trên

Bản cánh dưới

Bản bụng

hw h

b f

t f

I wx và I fxlà mô mem quán tính của bản bụng và

bản cánh đối với trục x-x

Lấy gần đúng h w ≈ h fk ≈ h.

i

34

b) Theo điều kiện ổn định cục bộ:

f

E t

b

f

f ≤

C¸nh dÇm

B¶n bông dÇm

x x

y

t w

Bản cánh trên

Bản cánh dưới

Bản bụng

hw h

b f

t f

i

f E

35

c) Theo các yêu cầu cấu tạo :

- Chọn tw ≤ t f ≤ 3t w

- Dầm thông thường: t f= 12 ÷ 24 mm

- Không nên chọn t f> 30 mm

- Chọn b f ≤ 30t f để ứng suất phân bố được

đều trên bề rộng của bản cánh chịu kéo và

để đảm bảo điều kiện ổn định cục bộ cho

bản cánh chịu nén

- Cần phải đảm bảo điều kiện ổn định tổng

thể của dầm, đồng thời để dễ liên kết dầm

với các cấu kiện khác:

b f = (1/2 ÷ 1/5)h

b f≥ 180 mm

b f ≥ 1/10 h

C¸nh dÇm

B¶n bông dÇm

x x

y

t w

Bản cánh trên

Bản cánh dưới

Bản bụng

hw h

b f

t f

i

ii

iii

Thông thường để đơn giản cho việc tính toán, chọn trước t f rồi tính b f 36

3.4 Kiểm tra tiết diện dầm đã chọn

a) Kiểm tra bền (TTGH 1)

• Theo điều kiện bền chịu uốn tại tiết diện có Mmaxvà Q = 0;

• Theo điều kiện bền chịu cắt tại tiết diện có Qmaxvà M = 0;

• Theo điều kiện bền chịu đồng thời uốn và cắt tại tiết diện có

M và Q cùng lớn;

• Theo điều kiện chịu ứng suất cục bộ của bản bụng dầm;

• Theo điều kiện bền chịu đồng thời ứng suất do uốn, cắt và cục bộ’

b) Kiểm tra độ võng của dầm (TTGH 2) c) Kiểm tra ổn định của dầm tổ hợp:

• Kiểm tra ổn định tổng thể

• Kiểm tra ổn định cục bộ của các bản thép làm dầm i

Trang 10

- Theo điều kiện bền chịu M max và V = 0:

c nx

x

f M

γ

W

max , max

M x,max : mô men uốn lớn nhất tại tiết diện giữa dầm do tải trọng tính toán

gây ra, bao gồm cả trọng lượng bản thân của dầm gd

W nx : mô men kháng uốn của tiết diện thực được kiểm tra đối với trục

x-x (tiết diện đã trừ đi các giảm yếu như do khoét lỗ)

ℓ

Qmax

Mmax

(tại tiết diện giữa dầm)

2

h

I

i

38

- Theo điều kiện bền chịu cắt V max và M=0:

Q max: lực cắt lớn nhất tại tiết diện sát gối dầm do tải trọng tính toán gây ra

S x: mô men tĩnh của một nửa tiết diện đối với trục x-x (đối với tiết diện chữ I);

max x

x w

f

I t

(tại tiết diện sát gối dầm)

ℓ

Qmax

Mmax

w w w f

x f f

t h h

h t

−

39

- Theo điều kiện bền chịu đồng thời M và V:

h0 : chiều cao tính toán của bản bụng dầm; h0= hw đối với dầm tổ

hợp hàn;

S cx: mô men tĩnh của 1 cánh dầm đối với trục x-x

c

1

2

=

h

h W

M

x

1 = ⋅

σ

w x

cx

t I

S V

=

1

τ

2 /

fk f

f

S =

ℓ

Qmax

Mmax

40

F : tổng lực tác dụng cục bộ (từ dầm phụ kê lên cánh trên) truyền xuống bản bụng dầm thông qua bản cánh trên

lz : chiều dài tính toán của diện tích bản bụng chịu tải trọng cục bộ F

- Theo điều kiện chịu ứng suất cục bộ (do tải trọng tập trung F)

F b

f

t

t f

hw Bản bụng dầm không có sườn

cứng gia cường

c z w

l t

+ Đối với dầm tổ hợp hàn: lz = b + 2 t f; b là chiều dài thực tế truyền tải trọng

F xuống cánh trên của dầm; t flà bề dầy bản cánh trên của dầm

+ Đối với dầm đinh tán hoặc bulông: lz= b + 2 hy

Dầm chính

Dầm phụ

lz

Trang 11

- Theo điều kiện chịu đồng thời ứng suất pháp, ứng suất tiếp, ứng suất

cục bộ:

Mx, Q và F : mô men, lực cắt và lực tập trung tính toán tại tiết diện kiểm

tra

Các ứng suất pháp và tiếp được lấy ở cùng một điểm ứng với thớ trên của

chiều cao tính toán của bản bụng dầm

Sx : là mô men tĩnh của phần bên trên của điểm được kiểm tra (của

phần bản cánh và một phần bản bụng lấy hết góc chuyển tiếp giữa bản

bụng và bản cánh)

y : là khoảng cách từ điểm tính toán đến trục trung hoà x-x

Giá trị của σ và σc lấy dấu dương nếu là kéo, lấy dấu âm nếu là nén

c c

c

1 2

=

y I

M

nx

x⋅

=

σ

z w c

l t

F

=

x w

Q S

I t

⋅

τ =

⋅

42

c) Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm

Khi dầm thỏa mãn 1 trong các điều kiện sau thì không cần kiểm tra ổn định tổng thể

- Khi bản sàn đặt trực tiềp lên cánh chịu nén của dầm

- Dầm được bọc BTCT

- Khoảng cách giữa 2 điểm cố định của cánh chịu nén l0thỏa mãn điều kiện

f

E h

b t

b b

l b l

fk f f f f

f f

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

− + +

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

≤ 0 0 , 41 0 , 0032 0 , 73 0 , 016

0

15

<

f

t

b

15

=

f

t

b

b) Kiểm tra độ võng của dầm

Nếu đã chọn chiều cao dầm h > h minthì có thể không cần kiểm tra theo điều kiện độ võng này

43

d) Kiểm tra ổn định cục bộ của dầm

i

ii

- Điều kiện kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh nén:

f

E t

b

t

b

f

f 0 0 , 5

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

≤

Nếu không thỏa :

- Giảm bề rộng cánh

- Tăng chiều dày bản cánh

44

- Điều kiện kiểm tra ổn định cục bộcủa bản bụng chịuứng suất tiếp:

2 3

≤

=

E

f t

h

w

w w

λ

- Điều kiện kiểm tra ổn định cục bộcủa bản bụng chịuứng suất pháp :

i

5 5

≤

=

E

f t

h

w

w w

λ

Trang 12

- Điều kiện kiểm tra ổn định cục bộcủa bản bụng chịuứng suất tiếp:

3.4 Kiểm tra tiết diện dầm đó chọn.

2

3

>

w

λ

Khi phải tăng cường bằng sườn ngang

1-1

Bố tri sườn ngang:

- Khỏang cach a ≤2hw

- Tiết diện

40

30+

≥ w s h

24 +

≥ w s

h b

s s

E

f b t

15 1

2 ≈

≥

- Điều kiện kiểm tra ổn định cục bộcủa bản bụng chịuứng suất phỏp : d) Kiểm tra ổn định cục bộ của dầm

3.4 Kiểm tra tiết diện dầm đó chọn.

5 5

>

w

λ

3

3 w w

s h t

3

5

1 w w

sl h t

I ≥

Phải tăng cường bằng sườn ngang + sườn dọc cỏch mộp chịu nộn của bụng 1 đoạn h1=hw/3

Sườn ngang

Is moment quỏn tớnh sườn ngang đối với trục dọc của bản bụng

Islmoment quỏn tớnh sườn dọc đối với trục thẳng đứng của tiết diện dầm Sườn dọc

Sườn cứng ngang

Sườn cứng dọc

47

4 CHI TiẾT NỐI DẦM

48

6.1 Liên kết cánh dầm với bản bụng

V T

T

A A

V

a

Ta Ta

Ta Ta V

x x

w

t 1cm

Sự lμm việc của liên kết cánh với bụng dầm tổ hợp

- Lực tr−ợt trên một đơn vị chiều dμi dầm:

Định dạng
Số trang	14
Dung lượng	894,38 KB