thiết kế kết cấu

Kết cấu làm việc phải đảm bảo yêu cầu khi được đảm bảo: -Độ bền -Kết cấu gọn nhẹ nhất -Độ ổn định -Lắp đặt đơn giản nhất và nhanh nhất -Độ cứng vững -Giá thành hạ

1.Yêu cầu cơ bản khi thiết kế kết cấu:

Kết cấu làm việc phải đảm bảo yêu cầu khi được đảm bảo:

-Độ bền -Kết cấu gọn nhẹ nhất

-Độ ổn định ⇒ -Lắp đặt đơn giản nhất và nhanh nhất

-Độ cứng vững -Giá thành hạ

Trong tính toán bền và thiết kế kết cấu hàn người ta thường áp dụng 3 phương pháp tính toán:

-Phương pháp tính toán theo tải trọng phá huỷ

-Phương pháp tính toán theo ứng suất cho phép

-Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn

1.1.Phương pháp tính toán theo tải trọng phá huỷ:

-Xác định tải trọng nhỏ nhất làm cho kết cấu bị phá huỷ từ đó so sánh tải trọng này với tải trọng dự kiến ,thiết kế mà kết cấu sẽ phải chịu khi làm việc -Thể hiện bằng công thức:

Pmax≤ [P]=

n

P th

Trong đó:

Pmax :Tải trọng lớn nhất tác động lên công trình

[P] :tải trọng cho phép

Pth :Tải trọng phá huỷ

N : Hệ số an toàn về bền (>1-chọn theo tiêu chuẩn của từng loại,dạng kết cấu) 1.2.Phương pháp tính toán theo ứng suất cho phép

-Phương pháp tính toán :Ứng suất sing ra trong kết cấu phải nhỏ hơn các giới hạn chịu lực của vật liệu (ứng suất nguy hiểm)

-Thể hiện bằng công thức:

σ ≤[σ ]=

n

0

σ

Trong đó:

[σ ] :Ứng suất cho phép

σ 0 :Ứng suất nguy hiểm

Đối với vật liệu dẻo lấy σ 0= giới hạn chảy

Đối với vật liệu giòn lấy σ 0= giới hạn bền

N : Hệ số an toàn

Khi lấy hệ số an toàn phải căn cứ vào :

-Tính chất của vật liệu sử dụng chế tạo vật liệu

-Điều kiện làm việc và phương pháp tính toán ,yêu cầu về mức độ tính toán -Tính chất quan trọng của kết cấu và yêu cầu tuổi thọ

-Tính chất của tải trọng tác động (Tĩnh hay Động) và mức độ phản ánh chính xác

1.3.Phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn

Trạng thái mà kết cấu không còn thảo mãn các yêu cầu sử dụng :

-Mất khả năng chống lại tác dụng của ngoại lực.

-Biến dạng quá mức cho phép

-Phá huỷ cục bộ

-Mất ổn định cục bộ quá mức cho phép

Có hai nhóm trạng thái giới hạn :

-Nhóm 1 :Thiết lập với mục đích tận dụng khả chịu tải (bền ,ổn định,mỏi…),nhóm này thường được áp dụng cho tính toán cho hầu hết các loại kết cấu

-Nhóm 2 : Nhóm trạng thái gây khó khăn cho việc sử dụng bình thường hoặc làm giảm tuổi thọ hay tạo ra các rung động không cho phép

Qua các phương pháp tính toán trên ta thấy xuất hiện khái niệm hệ số an toàn,vậy hệ số an toàn là gì?

Hệ số an toàn đó là một thông số mà người chế tạo cho vào để đảm bảo an toàn cho kết cấu khi sử dụng.Đó có thể là phần bù vào cho kết cấu để kết cấu

có thể làm việc bình thường,đảm bảo yêu cầu khi sử dụng

Hệ số an toàn đặc biệt quan trọng vì nếu trong các kết cấu nhỏ thì có khả năng

nó không thể hiện nhiều vai trò của mình nhưng với các kết cấu lớn,các kết cấu quan trọng thì việc chọn hệ số an toàn không phù hợp có thể dẫn đến giảm tuổi thọ của kết cấu,giảm khả năng làm việc của kết cấu.Khi đó người ta

sẽ phải chi phí sửa chữa và làm tăng chi phí cho kết cấu

Với các kết cấu giàn khoan ngoài biển do chịu tác động thường xuyên của tải trọng đó là sự tác động của nước biển thì nó sẽ làm giảm tuổi thọ của kết cấu nếu ta không chọn đúng hệ số an toàn,chưa kể đến ảnh hưởng của sự ăn mòn hoá hóc do nước biển có chứa muối.Khi đó có thể làm giảm tuổi thọ của giàn khoan,làm tăng chi phí hoặc thậm chí phải làm mới hoàn toàn hệ thống giàn khoan

Với các kết cấu lớn khác như các kết cấu dầm ,giàn trong các cầu lớn thì việc chọn hệ số an toàn không đúng có thể làm cho cầu không thể chịu tải trọng do các phương tiên tham gia giao thong gây ra,khi đó nó có thể làm cho cầu bị hỏng như nứt hoặc có thể nghiêm trọng hơn đó là làm hỏng cầu.Khi đó sẽ mất rất nhiều chi phí để sửa chữa và làm mới,gây tốn kém cho nền king tế quốc dân.Ngoài ra nó thể thể gây nguy hiểm tới tính mạng của mọi người

Các xác định hệ số an toàn phụ thuộc vào vật liệu,tính chất làm việc của kết cấu,và hình dạng của kết cấu cũng như tính chất quan trọng của kết cấu

Những yêu cầu cơ bản đối với kết cấu thép

1.Yêu cầu sử dụng

- Thoả mãn những yêu cầu chịu lực quy định bởi điều kiện sử dụng: kết cấu phải an toàn đủ độ bền, độ cứng vững và ổn định

- Đảm bảo độ bền lâu của công trình: bảo vệ kết cấu chống gỉ,chống

cháy,thuận tiện khi bảo dưỡng, đảm bảo niên hạn sử dụng

2,Yêu cầu kinh tế

- Tiết kiệm thép: Giá thành vật liệu thép cao nên cần cân nhắc giải pháp kết cấu cần thiết mới sử dụng vật liệu thép.Chọn hình thức kết cấu hợp lí,dùng phương pháp tính thích hợp

- Tiết kiệm thời gian thiết kế ,công chế tạo,vận chuyển lắp đặt: lắp ráp nhanh chóng,thuận tiện các mối nối ở hiện trường đơn giản góp phần

hạ giá thành

3,Yêu cầu điển hình hoá kết cấu thép

- Theo nhiều mức độ: Điển hình hoá cấu kiện (xà gồ ,dầm ,giàn ) điển hình hoá kết cấu( khung nhà cột điện,bể chứa,nhịp cầu)

- Mục đích : Tránh thiết kế lặp lại,chọn được nhiều dạng kết cấu tối ưu

về vật liệu và giá thành.Chế tạo lớn số cấu kiện ,sử dụng được thiết bị chuyên dùng,tăng năng suất,giảm thời gian chế tạo.Sử dụng thiết bị dựng lắp chuyên dùng,tiện lợi ,nhanh chóng=> hoàn thiện quá trình dựng lắp

Phần 2.Dầm thép

Dầm là kết cấu chịu uốn có bản bụng đặc,là kết cấu cơ bản trong kết cấu xây dựng Được dùng làm sàn nhà dân dụng và công nghiệp, dầm cầu kết cấu chịu lực của cửa van ,dầm cầu chạy

I.Các loại dầm.

1.Theo cấu tạo

a,Dầm định hình

+, I: được dùng trong uốn phẳng: dầm

sàn dầm cầu

+, U: Tiết diện không đối xứng, được

dùng trong uốn xiên như xà gồ,dầm

xườn tường.có một má phẳng nên dễ

liên kết với kết cấu khác

Đặc điểm: - Tiết kiệm công chế tạo

- Liên kết đơn giản

- Kích thước hạn chế

- Tốn thép do δb lớn hơn yêu cầu thiết kế để khắc phục dùng dầm dập từ thép bản mỏng

b,Dầm tổ hợp

Dầm tổ hợp hàn: gồm 3 bản thép ghép lại bằng đường hàn góc.Hai bản nằm ngang : hai cánh dầm; bản đứng: bản bụng

So với dầm đinh tán , ít tốn vật liệu và nhẹ hơn,chi phí cấu tạo ít hơn=> được dùng phổ biến

Dầm tổ hợp đinh tán : Gồm một bản thép đặt đứng làm bản bụng,hai cánh dầm,mỗi cánh gồm hai thép góc chữ L và có thể thêm một hoặc hai bản thép nằm ngang gọi là bản đậy

Vì phải khoét lỗ nên tốn công chế tạo và tốn vật liệu,nhưng chịu lực tốt Được dùng khi dầm chịu tải trọng động và tải trọng lớn như: Dầm cầu

chạy,dầm cầu

- Đặc điểm:- kích thước lớn ,tiết kiệm thép,tốn công chế tạo

c,Kết luận

Nên dùng dầm định hình nếu về kết cấu cho phép,và đảm bảo cường độ, độ cứng ổn định

Dùng dầm tổ hợp khi không thể dùng dầm hình như khi tải trọng lớn và nhịp dầm lớn

2.Theo sơ đồ kết cấu

Dầm đơn giản:Tốn vật liệu ,chế tạo và dựng lắp đơn giản,chịu lực chính xác,không ảnh hưởng do nhiệt,hay lún lệch Được dùng nhiều trong xây dựng

Dầm liên tục: Độ cứng lớn,tiết kiệm vật liệu,chế tạo và dựng lắp khó,nội lực thay đổi do nhiệt,hay lún lệch Được dùng khi dầm cần độ cứng lớn

Dầm mút thừa: Tiết kiệm vật liệu

Dầm I hàn tổ hợp ứng dụng nhiều nhất cho cầu trục , dầm cầu

II.Những yêu cầu cơ bản khi chế tạo,thiết kế dầm.

1. Tiết kiệm chi phí sản xuất bằng cách tối ưu hoá khối lượng bằng thay đổi tiết diện theo sự phân bố ứng suất

2 Nâng cao khả năng chịu uốn bằng nâng chiều cao dầm và giảm chiều dày tấm bụng ,bố trí gân tăng cứng

3 Sử dụng hoàn toàn bằng rất nhiều liên kết hàn,bố trí mối hàn phải hợp lí

4. Đối với dầm cầu trục ,tải trọng chủ yếu là các lực tập trung (P) từ bánh

xe cầu trục (Do vật nâng và trọng lượng xe) và tự trọng Q

5. Dầm I hàn tổ hợp chủ yếu được thiết kế dựa trên sự phân bố nội lực (mômen uốn-lực cắt)

6. Vị trí nguy hiểm nhất của tải trọng thường ở giữa và hai đầu dầm.Giữa dầm do

7. Mmax, đầu dầm do Vmax

8. Có thể tăng cường khả năng chịu uốn bằng cách hàn các tấm cánh hoặc dùng tấm cánh ở giữa có chiều dày lớn hơn

9. Quy định kích thước mối hàn khi hàn tấm tăng cường cho cánh

dầm.c>= 3.a

10.Đường hàn phải khép kín và tăng tiết diện mối hàn tại hai

đầu.a>=0,5.t:mối hàn góc thoải (<1:1),Chiều dài phần khoá đầu:>=b/2

11.Khi dầm có chiều dài quá lớn ta thực hiện nối dầm bằng liên kết

hàn.thực hiện trong nhà xưởng ,ngoài công trường ,trành bố trí nối các đoạn dầm tại những mặt cắt nguy hiểm (giữa dầm)

12.Khi dầm có chiều dài quá lớn ta thực hiện nối dầm bằng liên kết

hàn.có thể nối bằng các bản mã

13.Hàn gân cứng vững.Trong trường hợp gân tăng cứng vát chéo góc để tránh mối hàn bụng dầm-cánh dầm hay phần góc lượn của dầm

cán,cạnh góc vát phải lấy >=30mm

14.Hàn gân cứng vững

- Phần gân thụt vào đủ lớn để thực hiện ở mép gân với cánh

dầm.theo tiêu chuẩn lấy c=3mm

- nếu khoét lõm góc gân bằng ¼ đường tròn thì bán kính tối thiểu R=35mm.Trong trường hợp gân dày có thể lấy R lớn hơn

15.Hàn gân cứng vững không hết chiều cao của dầm

- Hàn gân tăng cứng không hết chiều cao ưu tiên về phía chịu

nén(chống mất ổn định cục bộ )

16.Hàn gân cứng vững đối với dầm I cán

Không cho phép thực hiện mối hàn dọc theo bề mặt cán của dầm cán hay tại góc lượn do tại những vị trí này sẽ bị biến cứng và giòn như gang

Phần 3.Giàn thép

I.Khái niệm chung

1 Định nghĩa

Dàn thép là kết cấu hệ thanh bất biến hình chịu uốn ,gồm nhiều thanh liên kết với nhau tại tâm mắt tạo thành

2 Đặc điểm

- Vượt được khẩu độ lớn l dàn>>ldầm

- Tiết kiệm được vật liệu do tận dụng được sự làm việc của vật liệu(mọi thớ trong tiết diện ứng suất đều do thanh chỉ chịu nén hay kéo)

- Hình thức đẹp ,nhẹ,linh hoạt,phong phú,phù hợp với yêu cầu chịu lực và sử dụng

3 Phân loại

a Theo công dụng

Dàn vì kèo,dàn cầu,cột tháp trụ ,cầu trục ,kết cấu chịu lực của cửa van

b. Theo sơ đồ kết cấu.

+, Dàn đơn giản: chế tạo và dựng lắp dễ nên dùng phổ biến

+, Dàn liên

tục:Kết cầu phức

tạp , ảnh hưởng

do lún không

đều,nhưng tiết

kiệm vật liệu và

nhất là độ cứng

vững lớn,nên

được dùng làm

dàn cầu

+, Dàn mút thừa: Tiết

kiệm vật liệu

+, Dàn kiểu vòm,khung

tháp trụ

+, Dàn liên hợp: kết hợp giữa

dầm và dàn,có nhịp

lớn.Thường lợi dụng kết cấu

dầm để bố trí đường di chuyển

tải trọng như dàn cầu,dàn cầu

chạy

c Theo khả năng chịu lực

• Dàn nhẹ bao gồm:

+, Dàn thép tròn : nhẹ,mắt đơn giản.Dùng cho mái nhẹ L< 15m,xà gồ rỗng

+, Dàn một thép góc: Phù hợp với loại dàn

không gian có tiết diện chữ nhật,hình vuông

như dầm cầu trục,cột đường,dây tải

điện.Loại này dễ sơn,chống gỉ tốt

+, Dàn 2 thép góc: chủ yếu trong kết cấu nhà

- Dàn thép ống: Liên kết phức tạp,nhưng nhẹ ,thoáng gió nên tải trọng gió tác dụng lên bản thân kết cấu nhỏ,không đóng bụi bẩn nên chống gỉ tốt.Phù hợp với công trình cao như tháp trụ

- Dàn thép dập bản mỏng: Trọng lượng nhỏ nhất

• Dàn nặng

Tiết diện thanh dàn thường là tiết diện tổ hợp I,U,H,C,dùng khi nội lực thanh dàn lớn như trong dàn cầu

+, Ngoài ra còn các loại: Dàn thường,dàn ứng suất trước,dàn phẳng ,dàn không gian,dàn liên hợp

II.Các nguyên lí cơ bản khi thiết kế giàn hàn.

- Lập sơ đồ giàn hàn sao cho thanh chịu kéo có chiều dài lớn còn thanh chịu nén có chiều dài ngắn

- Góc giao giữa các thanh nên nhỏ hơn hoặc bằng 30 độ

- Lựa chọn loại tiết diện cho thanh sao cho thuận lợi nhất khi lắp ghép

- Trục trung hoà của các thanh nên trùng tại một điểm

- Phân tích khả năng mất ổn định của những thanh chịu nén

- Tăng kích thước ngang của thanh bằng cách ghép các tiết diện lại với nhau thông qua liên kết hàn

- Đối với giàn nhịp lớn ,thiết kế các môdun hàn trong xưởng rồi lắp ghép tại công trường

- Đối với giàn có nhịp lớn hơn 20 m nên thiết kế vồng lên

- Đối với giàn có nhịp rất lớn ,chuyển mô hình tính về dạng đường thẳng ,xác định mômen (cho đỉnh +đáy giàn) và lực cắt (cho thanh giằng đứng + chéo)

- Giàn chịu tải trọng tĩnh => bỏ qua thành phần ứng suất thứ 2 khi coi:

+,Bản mã có kích thước nhỏ

+,Thanh mỏng

- Nút giàn liên kết trực tiếp tốt hơn khi dùng bản mã

- Chiều cao của thanh không nên lớn hơn 1/10 chiều dài

- Nút giàn nên thiết kế sao cho hạn chế tối đa hiệu ứng Notch

Nút giàn liên kết trực tiếp

Nút giàn liên kết thông qua bản mã

- Yêu cầu phải dùng bản mã khi : Chiều dài đường hàn cần lớn

Thanh giằng không thể truyền ứng suất cắt