Bài tập lớn kết cấu thép ĐH GTVT

Bài tập lớn kết cấu thép của trường đại học giao thông vận tải và các trường kỹ thuật nói chung có học môn kết cấu thép đây là mẫu báo cáo bài tập lớn chuẩn đã được duyệt và bảo vệ đạt kết quả cao, các bạn có thể tải về để tham khảo

MỤC LỤC

I: NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 2

II: THUYẾT MINH TÍNH TOÁN 2

1 Sơ bộ tính toán, chọn kích thước mặt cắt ngang dầm 3

1.1 Chiều cao dầm h 3

1.2 Bề rộng sườn dầm bw 4

1.3 Chiều dày bản cánh hf 4

1.4 Chiều rộng bản cánh bf 4

1.5 Kích thước bầu dầm b1, h1 4

1.6 Kích thước vút bv1, hh1, bv2, hh2 4

1.7 Trọng lượng bản thân dầm 5

1.8 Xác định mặt cắt ngang tính toán 5

2 Tính và vẽ biểu đồ bao nội lực 6

2.1 Công thức tổng quát 6

2.2 Tính mômen M 6

2.3 Tính lực cắt V 8

3 Tính và bố trí cốt thép dọc chủ tại mặt cắt giữa dầm 10

4 Xác định vị trí cắt cốt thép, vẽ biểu đồ bao vật liệu 13

4.1 Lý do và nguyên tắc cắt cốt thép 13

4.2 Lập các phương án cắt cốt thép 13

4.3 Xác định vị trí cắt cốt thép dọc chủ, vẽ biểu đồ bao vật liệu………16

5 Tính toán và bố trí cốt thép đai 17

5.1 Xác định mặt cắt tính toán 17

5.2 Tính toán bố trí cốt thép đai 17

6 Tính toán kiểm soát nứt 19

6.1 Kiểm tra xem mặt cắt có bị nứt hay không 19

6.2 Kiểm tra điều kiện hạn chế bề rộng vết nứt 20

7 Tính toán kiểm soát độ võng do hoạt tải 22

8.Tính toán bản mặt cầu làm việc cục bộ ……….23

8.1 Tính toán và bố trí cốt thép……….23

8.2 Kiểm soát nứt phần cánh dầm……….29

III PHẦN BẢN VẼ …… ……… 33

BÀI TẬP LỚN BÊ TÔNG CỐT THÉP

Giáo viên hướng dẫn : GV Nguyễn Hoài Cương

Sinh viên: Đỗ Anh Đại

Mã SV: 1102455 Lớp: Công trình giao thông thành phố K52

I-NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

ĐỀ BÀI:Thiết kế một dầm chính cho cầu đường ô tô nhịp giản đơn bằng

bê tông cốt thép thường, thi công bằng phương pháp đúc riêng từng dầm tạixưởng với các sốliệu giả định

SỐ LIỆU CHO TRƯỚC:

1 Chiều dài nhịp dầm : L = 11000 (mm)

2 Tĩnh tải mặt cầu rải : Wdw = 4.5(kN/m)

3 Hoạt tải xe ô tô thiết kế : HL_93

4.Hệ số cấp đường : k=1

5 Hệ số phân bố ngang tính cho mômem : mgM = 0.49

6 Hệ số phân bố ngang tính cho lực cắt : mgV = 0.56

7 Hệ số phân bố ngang tính cho độ võng : mgD = 0.5

8 Bề rộng chế tạo bản cánh : bf= 1600 (mm)

9 Khoảng cách giữa các dầm chủ : S = 2000(mm)

10 Độ võng cho phép của hoạt tải : ∆cp = L/800

11 Bê tông có : f’c = 34 (MPa)

12 Cốt thép (chịu lức và cấu tạo) theo ASTM A615 có : fy = 420( MPa)

13 Tiêu chuẩn thiết kế : 22 TCN 272-05

II-YÊU CẦU VỀ NỘI DUNG:

A-PHẦN BẢN TÍNH:

1 Chọn mặt cắt ngang dầm

2 Tính nội lực.Vẽ biểu đồ bao mômen, biểu đồ bao lực cắt

3 Tính toán và bốtrí cốt thép dọc chủ tại mặt cắt giữa dầm

4 Tính toán dầm theo trạng thái giới hạn sử dụng (kiểm soát nứt và độvõng)

5 Tính toán cắt bớt cốt thép dọc chủ Vẽ biểu đồ bao vật liệu

- Chiều cao dầm được chọn không thay đổi trên suốt chiều dài nhịp,chọntheo công thức kinh nghiệm:

Tại mặt cắt trên gối của dầm, chiều rộng của sườn dầm được định ra theotính toán và ứng suất kéo chủ, tuy nhiên ở đây ta chọn bÒ rộng sườn dầm khôngđổi trên suốt chiều dài dầm Chiều rộng bw này được chọn chủ yếu theo yêu cầuthi công sao cho dễ đổ bê tông với chất lượng tốt.

Theo yêu cầu đó ta chọn chiều rộng sườn dầm bw=200(mm)

1.3 Chiều dày bản cánh: h f

Chiều dày bản cánh chọn phụ thuộc vào điều kiện chịu lực cục bộ của vị trí

xe và sự tham gia chịu lực tổng thể với các bộ phận khác

Tiêu chuẩn quy định hf ¿ 175 mm Theo kinh nghiệm hf= 180(mm)

100.0 100.0

1000.0

1.7 Tính sơ bộ trọng lượng bản thân của dÇm trên 1(m) dài:

với L là chiều dài nhịp

- Khoảng cách tim giữa 2 dầm: S = 2000 (mm)

- 12 lần bề dầy cạnh và bề rộng sườn dầm:

12hf + bw = 12180 + 200 =2360 (mm)

Vậy ta chọn bề rộng cánh hữu hiệu là: be = 2000 (mm)

* Quy đổi tiết diện tính toán:

Để đơn giản cho tính toán thiết kế, ta quy đổi tiết diện dầm về kích thướcđơn giản hơn theo nguyên tắc sau: Giữ nguyên chiều cao h, chiều rộng be, b1, vàchiều dày bw Do đó ta có chiều dày bầu dầm và chiều dày bản cánh quy đổi nhưsau:

1 1 1

2 2 2

A1, :Diện tích đường ảnh hưởng lực cắt thứ i (phần lớn hơn).

LLMi : Hoạt tải tương ứng với đ.ả.h mômen tai mặt cắt thứ i

LLVi : Hoạt tải tương ứng với đ.ả.h lực cắt tại mặt cắt thứ i

mgM, mgV : Hệ số phân bố ngang tính cho mô men, lực cắt (đã tính cả hệ sốlàn

xe m)

LLL = 9,3 KN/m (tải trọng rải đều)

k = 1 : Hệ số cấp đường(hệ số triết giảm của HL-93)

Hệ số xung kích lấy bằng IM=0,25

 : Hệ số điều chỉnh tải trọng xác định bằng công thức;

= dRl 0 , 95

Với đường quốc lộ và trạng thái cường độ i:

d= 0,95 ; R=1,05 ; l= 0,95  0.95 Với trạng thái giới hạn sử dụng,phá hoại do mỏi:= 1.

2.2 Vẽ đường ảnh hưởng mômen, lực cắt:

III-Tính và bố trí cốt thép dọc chủ tại mặt cắt giữa nhịp:

Đây chính là bài toán tính Asvà bố trí cốt thép của dầm tiết diện chữ T dặt cốtthép đơn, biết:

Giả sử trục trung hoà mép dưới của qua cánh, ta có:

Momen ứng với trường hượp đi qua mép dưới của bản cánh là:

1 '

26403(kN m )

u m

3148420

100.0

100.0 210.0

140.0

*Kiểm tra lại tiết diện:

23408( )

24.764 0,85 0.85 34 2000

s y c

a



Vậy điều giả sử là đúng.

*KiÓm tra lượng cốt thép tối đa:

0.0348 0.42 880

s

c

Vậy hàm lượng cốt thép tối đa thoả mãn

*Kiểm tra lượng cốt thép tối thiểu:

420

c y

f f

M r KN.m

0 12 3408 30.681 Qua cánh 880 1241.87 1117.7

1 10 2840 25.568 Qua cánh 894 1054.1 948.65

2 8 2272 20.454 Qua cánh 897.5 848.55 763.7

3 6 1704 15.341 Qua cánh 903.33 642.1 577.86

4.3 Xác đinh vị trí cắt cốt thép dọc chủ và biểu đồ bao vật liệu:

a.Hiệu chỉnh biểu đồ bao momen:

5.61 10 0.63 34 293.73( ).

Ta cã:

1

264.4 1.1

0.721( )403.196

-Từ gối dầm đến vị trí x1 ta hiệu chỉnh đường Mu thành 4/3Mu

-Từ vị trí x1 đến vị trí x2 nối bằng đường nằm ngang

-Từ vị trí x2 đến giữa dầm ta giữ nguyên đường Mu

721

962

1.2Mcr 0.9Mcr

1100 2

403.196 697.788 899.170 991.473 1023.852

BIỂU ĐỒ MÔ MEM ĐÃ HIỆU CHỈNH (KNm)

b Xác định vị trí cắt cốt thép dọc chủ và vẽ biểu đồ bao vật liệu

*Xác định điểm cắt lí thuyết:

Điểm cắt lý thuyết là điểm mà tại đó theo yêu cầu về uốn không cần cốt

thép dài hơn Đó chính là giao điểm của biểu đồ momen tính toán Mu và biểu đồ

momen kháng tính toán Mr

*Xác định điểm cắt thực tế:

- Tính chiều dài triển khai của cốt thộp chịu kộo ld: Trị số này thay đổi với

từng thanh cốt thép chịu kéo, nhưng ở đây để đơn giản ta chỉ tính với hai thanh

cốt thép phía trong và ở hàng trên và sử dụng cho tất cả các thanh cốt thép khác

l lấy giỏ trị max trong hai giá trị sau:

ct tt

- Tính đoạn kéo dài thêm theo quy định l1 :

Từ điểm cắt lý thuyết cần kéo dài về phía momen nhỏ hơn một đoạn l1 Chiềudài này lấy giá trị lớn nhất trong các giá trị sau:

+ Chiều cao hữu hiệu của tiết diện: ds=880(mm)

+ 15 lần đường kính danh định =1519=285(mm)

+ 1/20 lần chiều dài nhịp =11000/20=550 (mm)

+ Chiều dài phát triển lực ld =500 (mm)

 l1 =880(mm) Ta chọn l 1 =1000(mm)

Cốt thép chịu kéo có thể kéo dài bằng cách uốn cong qua thân dầm và kết

thúc trong dầm bê tông chịu nén với chiều dài triển khai l dtới mặt cắt thiết kếhoặc có thể kéo dài liên tục lên mặt đối diện của cốt thép

Biểu đồ bao vật liệu là:

642.1 848.55 1054.1 124.187

Mr

1100/2

403.196 697.788 889.71

1023.852 991.473

500.0

200.0

1000.0 500.0

V-Tính toán và bố trí cốt đai:

5.1Xác định mặt cắt tính toán:

Ta chỉ tính toán cốt thép đai ở mặt cắt được coi là bất lợi nhất, là mặt cắt

cách gối một đoạn bằng chiều cao hữu hiệu chịu cắt dv:

Chiều cao chịu cắt hữu hiệu dvlà trị số lớn nhất trong các giá trị sau:

+) Khoảng cách giữa cá hợp lực kéo và hợp lực nén do uốn:

+Xác định ứng suất cắt danh định trong bê tông sườn dầm :

3399.44 10

2.473( )0.9 200 897.14

v

Tra bảng được: 41.1850.Tính lại : ε x = 1.75 ¿ 10-3

Tiếp tục tra bảng được:  41.0710 Tính lại : ε x = 1.75 ¿ 10-3

Ta thấy giá trị của ố, ồx hội tụ

Vậy ta lấy 41.0820 Tra bảng được β = 1.7813

-Khả năng chịu lực cắt của bêtông:

'0.083 0.083 1.7813 34 897.14 200 154683.8( )

Ta chọn khoảng cách bố trí cốt đai là: S= 200 (mm)

-Kiểm tra lượng cốt thép đai tối thiÓu:

Lượng cốt thép đai tối thiểu:

→Thoả mãn điều kiện cốt thép tối thiểu

-KiÓm tra khoảng cách tối đa của cốt thép đai:

460300( )200

⇒ Asf y≥ Mu

ϕv− 0,5Vs) cot gθθ

=>Thoả mãn.

Vậy ta chọn cốt thép đai có số hiệu D10, bố trí với bước đều S=200 (mm)

VI Tính toán kiểm soát nứt:

6.1 Kiểm tra mặt cắt có bị nứt k?

Tại một mặt cắt bất kì thì tuỳ vào giá trị nội lực bêtông có thể bị nứt haykhông.Vì thế để tính toán kiểm soát nứt ta phải kiểm tra xem mặt cắt có bị nứthay không

Để tính toán xem mặt cắt có bị nứt hay không người ta coi phân bố ứng suấttrên mặt cắt ngang là tuyến tính và tính ứng suất kéo fc’ của bêtông

:cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông

g

I

: momen quán tính của tiết diện nguyên

Ma: mô men lớn nhất trong cấu kiện ở giai đoạn đang tính biến dạng

Theo trên ta đã tính được:

688.940 10

701.603 8.616( )5.61 10

cr



'0.63 0.63 34 3.673

Vậy tiết diện đã bị nứt

6.2 Tính toán kiểm soát nứt

Công thức kiểm tra: f  s f sa

Trong dó: fsa là khả năng chịu kéo lớn nhất trong cốt thép ở trạng thái giới

b) Xác định ứng suất trong cốt thép chịu kéo ở trạng thái giới hạn sử dụng

với n là tỉ kệ mô đun đàn hồi của cốt thép và bê tông:

Giải ra ta được x=133.453 (thỏa mãn) hoặc x= -157.3(loại)

+) tính momen quán tính của tiết diện khi đã bị nứt:

 Dầm đảm bảo điều kiện hạn chế bề rộng vết nứt.

VII.Tính toán độ võng do hoạt tải gây ra.

* Công thức kiểm tra:

.800

I = min{Ig ; Ie}

Ig: Mômen quán tính tiết diện nguyên Ig= 5.61 10 10 (mm4)

Ie:Mômen quàn tính hữu hiệu đối với các cấu kiện đã nứt

4 4 lane

- Độ võng do hoạt tải gây ra ở mắt cắt giữa nhịp sẽ là:

truck truck lane

=> Điều kiện hạn chế độ võng của dầm là thoả mãn.

VIII Tính toán bản mặt cầu làm việc cục bộ

Khi tính và bố trí thép bản cánh ta cắt 1m chiều dài bản cánh và tính như tiếtdiện hcn có bề rộng 1000mm , chiều cao h=180mm, đặt cốt thép đơn

+)γc: trọng lượng riêng của bê tong γc=24500(kN/m3)

+) γp : hệ số tải trọng dung cho tải trọng thường xuyên γp=1.25

8.1.2 Sau khi đổ bê tong mặt đường xong ta có sơ đò bố tính như sau:

Xác định nội lực sinh ra do lớp phủ mặt cầu và các tiện ích lấy γp=1.25

Wdw/S

S-bw

Mmax1 + Mmax2-

694.192( )420

c s

Khoảng cách hữu hiệu tương ứng từ thớ chịu nén ngoài cùng đến trọng tâm cốtthép ds=180 – 35 = 145(mm)

Khi đó chiều cao hình chữ nhật tương đương là:

'

11.570,85 0.85 34 1000

tiết diện đảm bảo khả năng chịu lực

Kiểm tra lượng cốt thép tối đa:

vậy thỏa mãn hàm lượng cốt thép tối đa

Kiểm tra lượng cốt thép tối thiểu:

' min

340.03 0.03 0.00243

420

c y

f f

ρ > ρmin

vậy thỏa mãn hàm lượng cốt thép tối thiểu

8.1.5 Tính cốt thép chịu momen dương của tiết diện hình chữ nhật;

Với mc hình chữ nhật bxh=1000x180(mm2) ; Mu=M+

max=36.1356kN.mGiả định ds=(0.8÷0.9)h=(0.8÷0.9)x180=(144÷162)mm

6 2

Khi đó chiều cao của hình chữ nhật tương đương là:

'

11.570,85 0.85 34 1000

s y c

tiết diện đảm bảo khả năng chịu lực

Kiểm tra lượng cốt thép tối đa:

0.099 0.42145

s

c

vậy thỏa mãn hàm lượng cốt thép tối đa

Kiểm tra lượng cốt thép tối thiểu:

' min

340.03 0.03 0.00243

420

c y

f f

ρ > ρmin

vậy thỏa mãn hàm lượng cốt thép tối thiểu

Phần cốt thép bản mặt cầu được bố trí như sau:

180.0 35.0

35.0

8.2 Kiểm soát nứt phần cánh dầm của tiết diện hình chữ nhật

Để tính toán xem mặt cắt có bị nứt hay không người ta coi phân bố ứng suất trên

mc ngang là tuyến tính và tính ứng suất kéo fc của bê tong

8.2.1 Kiểm tra xem mặt cứt có bị nứt hay không?

a Trước khi đổ bê tông mặt cầu ta có sơ đồ tính sau:

+)γc: trọng lượng riêng của bê tong γc=24500(kN/m3)

+) γp : hệ số tải trọng dung cho tải trọng thường xuyên γp=1.25

S-bw

Mmax1 + Mmax2-

2 2

1 2 max3 1.1564 0.6075 20.4 22.1639( )

max max max

8.2.2 Tính toán kiểm soát nứt

Công thức kiểm tra: f  s f sa

Trong dó: fsa là khả năng chịu kéo lớn nhất trong cốt thép ở trạng thái giới

+ dc :chiều cao phần bêtông tính từ thớ chịu kéo ngoài cùng cho đến tâmthanh gần nhất,theo bố trí cốt thép dọc ta có dc = 35( mm)

+A: Diện tích phần bêtông có cùngtrọng tâm với cốt thép chịu kéo vàđược bao bởi các mặt của cắt ngang và đường thẳng song song với trục trunghoà chia số lượng thanh

Xác định TTH dựa vào PT momen tĩnh với TTH bằng không:

Giải ra ta được x=35.01 (thỏa mãn) hoặc x= -55.7(loại)

+) tính momen quán tính của tiết diện khi đã bị nứt:

7 (145 35.01) 209.47( )81712863

Vậy fs =209.47 MPa < fsa = 252 MPa

 Dầm đảm bảo điều kiện hạn chế bề rộng vết nứt.

*Tính ứng suất kéo trong cốt thép ở trạng thái giới hạn sử dụng:

620.7375 10

7 (145 35.01) 195.397( )81712863

Vậy fs =195.397 MPa < fsa = 252 MPa

 Dầm đảm bảo điều kiện hạn chế bề rộng vết nứt.

Kết luận : Điều kiện hạn chế bề rộng vết nứt được thỏa mãn

 Nứt được kiểm soát.