Trần quang hưng – bài giảng kết cấu THÉP 1

Năm 1750: Công nghiệp hóa ngành luyện thép. Năm 1799: Cầu gang đầu tiên thiết kế bởi Abraham Darby. Kết cấu dạng vòm bắc qua sông Serven của nước Anh với nhịp 31m. Năm 1801: Kết cấu khung thép đầu tiên được thử nghiệm tại Anh. Năm 1881: Phát minh ra que hàn điện để liên kết. Năm 1889: Xây dựng tháp Eiffel cao khoảng 300m. Năm 1931: Xây dựng tòa nhà Empire ở New York, kết cấu khung cao 380m. Cũng trong thời gian này, người ta đã bắt đầu sử dụng dây thép kéo nguội với cường độ lên đến 1500Nmm2 để xây dựng cầu George Washington nhịp 1067m. Năm 1973: Xây dựng tòa tháp đôi WTC ở New York cao 410m (110 tầng). Năm 1974: Tòa nhà Sears Tower Chicago 109 tầng cao tổng cộng 442m.

Trang 1

Trần Quang Hưng – Bài giảng KẾT CẤU THÉP 1

Chương 1

ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP DÙNG TRONG XÂY DỰNG

1 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA KẾT CẤU THÉP

Vật liệu thép đã được phát hiện từ xa xưa và là mốc son trong quá trình tiến hóa của loài người Những ứng dụng của thép trong đời sống hiện đại có thể liệt kê bằng một số sự kiện lớn sau đây:

- Năm 1750: Công nghiệp hóa ngành luyện thép

- Năm 1799: Cầu gang đầu tiên thiết kế bởi Abraham Darby Kết cấu dạng vòm bắc qua sông Serven củanước Anh với nhịp 31m

- Năm 1801: Kết cấu khung thép đầu tiên được thử nghiệm tại Anh

- Năm 1881: Phát minh ra que hàn điện để liên kết

- Năm 1889: Xây dựng tháp Eiffel cao khoảng 300m

- Năm 1931: Xây dựng tòa nhà Empire ở New York, kết cấu khung cao 380m Cũng trong thời gian này,người ta đã bắt đầu sử dụng dây thép kéo nguội với cường độ lên đến 1500N/mm2 để xây dựng cầu GeorgeWashington nhịp 1067m

- Năm 1973: Xây dựng tòa tháp đôi WTC ở New York cao 410m (110 tầng)

- Năm 1974: Tòa nhà Sears Tower Chicago 109 tầng cao tổng cộng 442m

- Năm 1981: cầu treo Humber ở Hull, Anh có nhịp giữa dài 1410m

Trong những năm gần đây, nhờ vào sự tiến bộ vượt bậc trong ngành sản xuất, tính toán và thi công kết cấu thép, hàng loạt công trình độc đáo quy mô lớn và tháp có chiều cao không tưởng đã và đang xây dựng ở các nước trên thế giới như Trung Quốc, Đài Loan, các nước Trung Đông, …

2 NHỮNG YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI KẾT CẤU THÉP

- Yêu cầu về độ bền và ổn định: Kết cấu phải chịu được tác dụng của tất cả các loại tải trọng và tác động

trong quá trình thi công và sử dụng (không bị sụp đổ) Đây là yêu cầu cơ bản nhất trong thiết kế

- Yêu cầu về tính hữu dụng: kết cấu phải thỏa mãn những yêu cầu về sử dụng đặt ra trước khi thiết kế,

chẳng hạn yêu cầu giới hạn về độ võng của xà ngang, giới hạn độ rung động khi chịu tải động Đây là yêucầu cơ bản thứ hai trong thiết kế

- Một số yêu cầu khác: chống ăn mòn, dễ thi công và bảo dưỡng, sửa chữa

Bài giảng này chủ yếu dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam về kết thiết kế cấu thép TCVN 5575: 2012, có

tham khảo thêm tiêu chuẩn Eurocode 3

- Thép cacbon là thép có hàm lượng cacbon dưới 1,7%, không có thành phần của hợp kim khác Thép

cacbon phân thành thép cacbon thấp (% C<0,22%), thép cacbon vừa (0,22%<%C<0,6%) và thép cácbon

Trang 2

2

cao (0,6%<%C<1,7%) Trong xây dựng dùng thép cacbon thấp do chúng có tính dẻo dễ gia công và dễ hàn

- Thép hợp kim là thép Cacbon có thêm các kim loại khác như Crom (Cr), Niken (Ni), Mn, … nhằm nâng

cao các tính chất cơ học của thép như độ bền, chống oxy hóa Trong kết cấu xây dựng chỉ dùng thép hợp kim thấp với tỉ lệ các kim loại khác dưới 2,5%

4 SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP

4.1 Thí nghiệm kéo thép

+ Biểu đồ dưới đây (hình 1.1a) thể hiện một cách tổng quát quan hệ ứng suất-biến dạng của một mẫu thử thép xây dựng trong thí nghiệm kéo một trục

Hình 1.1a Quan hệ ứng suất-biến dạng của thép xây dựng [ref]

+ Qua thí nghiệm có thể phân biệt bốn miền làm việc như sau :

- (1) Miền đàn hồi: trong miền này biến dạng tỉ lệ với ứng suất tuân theo luật Hooke

ε

σ : ứng suất

ε : biến dạng tỉ đối

E : môđun đàn hồi, với thép cacbon thấp E≈ 2,1x105 MPa

Giới hạn của ứng suất trong giai đoạn này gọi là giới hạn đàn hồi f y (đồng nhất với giới hạn chảy vì không khác nhau nhiều) Nếu dỡ tải thì mẫu thử sẽ trở về trạng thái ban đầu

- (2) Thềm chảy : biến dạng tăng nhưng ứng suất không tăng Giai đoạn này còn được gọi là chảy

dẻo Đây là một đặc trưng của thép cacbon thấp ứng với biến dạng từ khoảng 0,2% đến 2,5% Nếu

dỡ tải thì mẫu thử sẽ không trở về trạng thái ban đầu mà sẽ có một lượng biến dạng không phục hồi được gọi là biến dạng dư

- (3) Giai đoạn củng cố : thép không chảy nữa, cần phải tăng ứng suất để tăng biến dạng Quan hệ ứng suất biến dạng là đường cong Giới hạn trên của ứng suất gọi là giới hạn bền f u, biến dạng

tương ứng kí hiệu là ε u

- (4) Giai đoạn co thắt : ngay khi đạt đến giới hạn

bền, tiết diện mẫu thử bị thu hẹp rất nhanh một

cách cục bộ dẫn đến phá hủy (đứt) Biến dạng lúc

đứt ε r=20÷25%

Khi thí nghiệm nén thép ta cũng thu được kết quả tương

tự nhưng không xác định được giới hạn bền vì mẫu nén

bị phình to và tiếp tục chịu được lực rất lớn

dùng biểu đồ lí tưởng (hình 1.1b):

Trang 3

- Khi tính toán đàn hồi thì biểu đồ σ-ε là một đường thẳng tuân theo định luật Hooke

- Khi tính toán có kể đến biến dạng dẻo thì biểu đồ là hai đoạn thẳng, đoạn thứ nhất làm việc trong

miền đàn hồi được giới hạn bởi giới hạn chảy f y ; vượt qua giới hạn f y là miền dẻo mà ứng suất

không đổi (luôn bằng f y) nhưng biến dạng vẫn tăng

4.2 Các đặc trưng cơ học của thép

+ Các đặc trưng cơ học cơ bản của thép được quy định trong tiêu chuẩn tương ứng với mỗi nhóm thép như

giới hạn chảy f y , giới hạn bền f u , mô đun đàn hồi E, biến dạng khi chảy và khi đứt ε y và ε r

- Môđun đàn hồi E=σ/ε Trong miền đàn hồi E không đổi, trong miền chảy dẻo thì E=0 Với thép cacbon thấp có thể lấy E=2,1x105MPa

- Giới hạn chảy f y : là đặc trưng quan trọng nhất trong tính toán kết cấu thép Đây là thông số dùng

để xác định CƯỜNG ĐỘ của thép chịu kéo/nén

- Giới hạn bền f u hay còn gọi là cường độ tức thời Đây là thông số dùng để xác định cường độ

f f

γ

Trong đó γ m : hệ số an toàn vật liệu TCVN quy định đối với thép cacbon thấp thì γ m=1,05 với mọi mác thép;

thép hợp kim thấp có cường độ tiêu chuẩn f y > 360MPa thì γ m =1,1 Trong Eurocode 3 lấy γ m=1,1

- Cường độ của một số mác thép theo TCVN cho trong bảng 1.1 dưới đây

- Tùy theo dạng chịu lực (trạng thái ứng suất) mà cường độ tính toán tương ứng có thể suy ra từ cường độ khi kéo (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Cường độ tính toán theo trạng thái làm việc (thép cán và ống) Trạng thái làm việc Kí hiệu Cường độ tính toán

+ Dựa vào cường độ thép người ta phân thép thành:

Bảng 1.1 Cường độ tiêu chuẩn và tính toán của thép cacbon theo TCVN 5709:1993

Trang 4

- Thép cường độ thường: giới hạn chảy f y <310MPa, giới hạn bền f u <450MPa

- Thép cường độ khá cao (thường là hợp kim): giới hạn chảy f y = 310÷400 MPa, giới hạn bền

+ Gồm thép góc đều cạnh và không đều cạnh (tỉ lệ hai cạnh khoảng 1:1,6)

+ Đều cạnh: kí hiệu LAxAxd hoặc LAxd, ví dụ L50x50x5; TCVN gồm 67 loại tiết diện, nhỏ nhất là L20x3,

Cán thép tấm

Sơ cán

Cán vuông

Hình 1.2 Các giai đoạn chính của cán nóng thép

Trang 5

+ TCVN Có 23 loại tiết diện, cao h=100÷600mm

+ Kí hiệu Ih, ví dụ I40 trong đó h là chiều cao tính bằng cm

+ Từ số hiệu 18 đến 30 thì mỗi loại có thêm 2 tiết diện phụ, cùng chiều cao nhưng cánh rộng và dày hơn

Kí hiệu thêm chữ ‘a’ ở cuối, ví dụ I40a

+ Ứng dụng: dầm chịu uốn, làm cột (nhưng phải tăng độ cứng theo phương y Î tiết diện chữ H) Thép chữ I có cánh hẹp và vát chéo nên khó liên kết

+ Thực tế trên thị trường còn có thép chữ I cánh rộng, tỉ lệ chiều cao trên bề rộng cánh khoảng 1:1 đến 2:1 Trong tiêu chuẩn Châu Âu hay Mỹ kí hiệu là thép chữ H (HEA, HEB, HEM, HHD)

+ Trong TCVN có 22 loại tiết diện từ số 5 đến số 40

+ Kí hiệu: Ch, ví dụ C22 trong đó h là chiều cao tiết diện (cm)

+ Từ số hiệu 14 đến 24 có thêm tiết diện phụ ‘a’ có cánh rộng và dày hơn

+ Ứng dụng: dầm chịu uốn, xà gồ chịu uốn xiên, ghép thành tiết diện tổ hợp để làm cột, thanh dàn nặng Cấu tạo cánh rộng, bụng phẳng nên rất dễ liên kết

Hình 1.4 Thép chữ I và các tiết diện tổ hợp Hình 1.3 Thép góc và các tiết diện tổ hợp từ thép góc

Trang 6

y

Hình 1.5 Thép chữ C và các tiết diện tổ hợp

+ Trên thị trường còn nhiều loại tiết diện khác phù hợp với các mục đích sử dụng riêng

- Thép chữ T: được cán nóng trực tiếp hoặc được cắt từ thép chữ I, dùng làm các cấu kiện phụ

- Thép ống không hàn: có (đường kính)x(bề dày) dxh = 42x2,5 – 500x15mm Đây là tiết diện có đối xứng

tâm nên chịu lực tốt và hợp lí, dung làm các thanh dàn hay kết cấu trụ tháp cao

- Thép ống hàn: được tạo thành từ các thép tấm cuộn tròn rồi hàn kín, kích thước đa dạng

+ Ưu điểm: nhẹ, cứng Î được dùng cho các kết cấu chịu lực nhỏ nhưng cần độ cứng lớn

+ Nhược: bị giòn ở các góc uốn, mỏng nên chóng gỉ kém và dễ bị mất ổn định cục bộ

Hình 1.6 Một số loại thép hình khác

Trang 7

+ Theo tiêu chuẩn này tải trọng được phân thành các loại sau:

- Tải trọng thường xuyên (G): là tải trọng không biến đổi về giá trị, vị trí, phương chiều trong quá trình sử dụng công trình như trọng lượng các bộ phận công trình, áp lực đất, ứng suất trước

- Tải trọng tạm thời (Q): là tải trọng có thể có hoặc không trong quá trình xây dựng và sử dụng Tải trọng tạm thời được phân thành tải trọng tạm thời dài hạn (vách ngăn tạm thời, trọng lượng máy cố định, tải trên sàn các gian kho, thư viện…) và tải trọng tạm thời ngắn hạn (trọng lượng người và đồ đạc trên sàn nhà, tải trọng sinh ra trong quá trình thi công vận hành, tải trọng gió…)

- Tải trọng đặc biệt (A): là các tải trọng gây bởi thiên tai hay sự cố như động đất, cháy nổ, sụt lở đất, đứt dây cáp neo…

+ Về giá trị, TCVN phân thành tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán

- Giá trị tiêu chuẩn là trị số lớn nhất có thể có của tải trọng trong trường hợp sử dụng bình thường Giá trị này được xác lập bằng các phương pháp thống kê

- Giá trị tính toán bằng giá trị tiêu chuẩn nhân với hệ số độ tin cậy về tải trọng γQ Giá trị của γQ

được cho trong tiêu chuẩn, ví dụ trọng lượng cấu kiện chế tạo trong xưởng γQ=1,1; chế tạo tại công trường γQ=1,2; tải trọng tạm thời <200daN/m2 lấy γQ=1,3; tải trọng tạm thời ≥200daN/m2 lấy

+ Khi có nhiều tải trọng tác động đồng thời lên kết cấu thì phải tiến hành tổ hợp tác động của chúng Tổ hợp chính là xác định xác suất các tải trọng đồng thời xảy ra với giá trị bất lợi nhất tác dụng lên kết cấu

Trang 8

+ TCVN 2737: 1995 quy định hai loại tổ hợp, tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt:

- Tổ hợp cơ bản gồm các tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời (dài hạn và ngắn hạn) Khi chỉ có một loại tải trọng tạm thời tác dụng thì giá trị của tải trọng này được lấy toàn bộ, tức là hệ số

tổ hợp của nó ψ=1 Khi có hai tải trọng tạm thời trở lên thì giá trị của chúng phải nhân với hệ số tổ hợp ψ=0,9 Hệ số tổ hợp của tải trọng thường xuyên luôn bằng 1

(G)+Σψi(Qi) Î (G)+(Q)

(G)+0,9ΣQi; i≥1

- Tổ hợp đặc biệt gồm các tải trọng thường xuyên, tải trọng tạm thời (dài hạn và ngắn hạn) có thể

xảy ra và một trong các tải trọng đặc biệt:

(G)+Σψij(Qi)+(Aj)

Khi chỉ có một loại tải trọng tạm thời tác dụng thì giá trị của tải trọng này được lấy toàn bộ, ψ=1 Khi có hai tải trọng tạm thời trở lên thì giá trị của chúng lấy như sau: tải trọng tạm thời dài hạn với

hệ số tổ hợp ψ1=0,95; tải trọng tạm thời ngắn hạn nhân với hệ số tổ hợp ψ2=0,8

+ Một số trường hợp riêng khác xem thêm tiêu chuẩn chuyên biệt (tiêu chuẩn kháng chấn; cháy nổ)

2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP THEO CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN

Hiện dường như tất cả các tiêu chuẩn trên thế giới đều thiết kế theo trạng thái giới hạn Trước đây (thập niên 60) người ta thường thiết kế theo phương pháp ứng suất cho phép (ASD: allowable stress design), phương pháp này chúng ta đã được làm quen khi học về sức bền vật liệu, tức là khống chế ứng suất trong kết cấu không được vượt quá một ứng suất quy định trước (cường độ cho phép), vật liệu làm việc đàn hồi Tuy nhiên, vật liệu xây dựng là vật liệu có tính dẻo, cho phép biến dạng rất lớn và phân phối lại nội lực trong kết cấu cũng như ứng suất trên tiết diện; để tận dụng các yếu tố đó cũng như tận dụng các yếu tố về độ tin cậy người ta xây dựng nên phương pháp thiết kế tiến bộ hơn gọi là phương pháp trạng thái giới hạn

+ Tương ứng với 2 yêu cầu cơ bàn của kết cấu mà có hai TTGH:

- Trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực (TTGH thứ nhất, Ultimate Limit State - ULS) là giới

hạn mà vượt qua trạng thái này thì kết cấu không còn khả năng chịu lực nữa (cong vênh, sụp đổ hay

ở trạng thái nguy hiểm theo quan điểm người thiết kế) Đó là các trường hợp kết cấu không đủ bền hoặc mất ổn định, bị phá hủy đột ngột do mỏi

- Trạng thái giới hạn về sử dụng (TTGH thứ hai, Service Limit State - SLS) là giới hạn mà vượt

qua trạng thái này thì kết cấu có thể vẫn bền vững nhưng không thể sử dụng được do không thỏa mãn các yêu cầu đặt ra Đó là các trường hợp kết cấu bị chuyển vị hay biến dạng quá mức, rung động vượt mức cho phép, không đủ khả năng cách âm,…

Trang 9

Ngh: khả năng giới hạn kết cấu có thể chịu được, khả năng này phụ thuộc vào cường độ thép, kiểu tiết diện và được xác định tùy vào từng trường hợp chịu lực cụ thể

γc (≤1) : hệ số điều kiện làm việc; xét đến một số trường hợp kết cấu làm việc trong điều kiện bất lợi

[∆] : giới hạn cho phép được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế hoặc bởi chủ đầu tư xây dựng

+ Chú ý giá trị tải trọng trong TTGH này là giá trị tải trọng tiêu chuẩn

3 TÍNH TOÁN SỨC BỀN CỦA TIẾT DIỆN THÉP

Phần này sẽ trình bày cách xác định khả năng giới hạn Ngh mà một tiết diện thép có thể chịu được theo TTGH thứ nhất Vật liệu thép được coi là làm việc theo biểu đồ lí tưởng gồm giai đoạn đàn hồi và giai đoạn dẻo với giới hạn chảy là fy tương ứng với biến dạng khi chảy εy

Vì thép có hai giai đoạn làm việc khác nhau nên sẽ có 2 quan điểm về trạng thái giới hạn:

- Trạng thái giới hạn đàn hồi: thép chỉ làm việc đàn hồi, TTGH đạt được khi một điểm bất kì nào đó trên tiết diện bắt đầu chảy dẻo (biến dạng ε= εy)

- Trạng thái giới hạn dẻo: cho phép thép làm việc trong miền dẻo, TTGH đạt được khi toàn bộ tiết diện chảy dẻo

3.1 Tiết diện chịu lực dọc trục (kéo/nén đúng tâm)

Hình 2.2 Tiết diện chịu lực dọc trục

Do lực đúng tâm nên biến dạng dọc ε là đều trên toàn bộ tiết diện, dẫn đến ứng suất pháp σ cũng phân bố đều Gọi A là diện tích tiết diện, lực dọc:

f

γ

Trang 10

3.2 Tiết diện chịu lực cắt

Hình 2.3 Tiết diện chịu lực cắt

a) TTGH đàn hồi:

- Theo lí thuyết của sức bền vật liệu, ta có ứng suất tiếp tại một điểm trên tiết diện cách trục trung hòa đoạn y:

( )( )

( )

x

VS y y

I t y

S(y) : mômen tĩnh của tiết diện ở bên trên vị trí tính ứng suất trượt so với trục trung hòa đàn hồi (phần gạch chéo)

I x : mômen quán tính của tiết diện

t(y) : bề rộng (độ dày) của tiết diện tại vị trí xét

- Ứng suất tiếp lớn nhất:

ax

( )( )

Đạt được khi ứng suất tiếp trên toàn bộ tiết diện đạt fv, lúc này lực giới hạn dẻo:

pl v

V =A f

Trang 11

Điều này trên thực tế là rất khó xảy ra đối với các tiết diện phổ biến Khi tính toán người ta chỉ lấy một phần của tiết diện dễ bị chảy dẻo; phần tiết diện này gọi là tiết diện chịu cắt Av, lúc này:

pl v v

V =A f

Chẳng hạn (tham khảo Eurocode 3):

- Tiết diện chữ nhật bxh, lực cắt song song với h:

- Tiết diện chữ I lực cắt song song bụng dầm:

A v =ΣA bụng Điều kiện bền:

pl c

V V≤ ⋅γ

3.3 Tiết diện chịu uốn đơn

+ Xét trường hợp uốn đơn gây bởi một mômen uốn M x theo trục chính x-x của tiết diện Điều kiện cân

bằng giữa nội lực và ứng suất được viết:

+ Coi rằng giả thiết Navier-Bernoulli luôn đúng với mọi giá trị của M x (tiết diện phẳng luôn phẳng khi biến

dạng) thì biến dạng ε là tuyến tính theo chiều cao tiết diện h

Hình 2.4 Sự phát triển biến dạng và ứng suất trong tiết diện chịu uốn đơn

a) TTGH đàn hồi

Trang 12

Ứng suất tỉ lệ với biến dạng và trạng thái tới hạn đàn hồi đạt đến khi thớ ngoài cùng có biến dạng dẻo

(ε =ε y), mômen uốn giới hạn tương ứng:

Tiếp tục tăng giá trị M x, vùng dẻo phát triển và tiến gần về phía trục trung hòa, ứng suất không tỉ lệ với

biến dạng nữa mà sẽ đạt giá trị giới hạn chảy f y nếu tại thớ đó ε ≥ ε y Trạng thái tới hạn trong miền dẻo tương ứng với toàn bộ tiết diện bị chảy dẻo, xét tiết diện đối xứng, mômen giới hạn dẻo:

+ Để so sánh lợi ích kinh tế của cách tính toán dẻo với tính toán đàn hồi, người ta dùng hệ số hình dạng c 1

định nghĩa như sau:

1

x pl x pl x

+ Hệ số c 1 phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng tiết diện Khi tiết diện có hình dạng chịu uốn lí tưởng (vật

liệu xa trục trung hòa) thì c 1 rất gần với 1 Tiết diện chữ nhật c 1 =1,5; c 1 vào khoảng 1,15 trong trường hợp

tiết diện chữ I (tra bảng C1 phụ lục C của TCVN 5575:2012)

3.4 Tiết diện chịu lực phức tạp

+ Khi có tác dụng đồng thời của lực dọc N, mômen uốn M hay lực cắt V thì tùy vào sự kết hợp mà tồn tại các trạng thái ứng suất khác nhau

3.4.1 TTGH đàn hồi

+ Ứng suất tổng là sự cộng tác dụng của tất cả các tác nhân gây ra Khi chỉ có ứng suất pháp thì ta vẫn

dùng điều kiện quen thuộc để kiểm tra:

Trang 13

y x

el x el y el

M M N f

Biểu thức trên xác định được biểu đồ tương tác giữa M&N

Nếu xét tiết diện chữ I thì phương pháp cũng hoàn toàn tương tự, chú ý đến vùng cao 2a có nằm trọn trong bụng hay tràn ra cánh TCVN 5575:2012 quy định:

Trang 14

Trang 15

Chương 3

LIẾN KẾT

1 KHÁI NIỆM CHUNG

+ Các cấu kiện cơ bản cần phải được liên kết với nhau để tạo thành kết cấu hoàn chỉnh Trong kết cấu thép

các loại liên kết như liên kết hàn, liên kết bulông, liên kết đinh tán, chốt, dán…

+ Hiện nay liên kết hàn là cơ bản và phổ biến nhất vì có nhiều ưu điểm như ít tốn công chế tạo, cấu tạo

đơn giản, liên kết nhẹ do tốn ít vật liệu, mối hàn bền và kín Tuy nhiên liên kết hàn có nhược điểm là gây biến hình hàn, các lỗi kĩ thuật khi hàn dễ gây phá hủy giòn nên khả năng chịu tải trọng động kém

+ Liên kết bulông cũng khá phổ biến vì rất tiện lợi cho tháo lắp, không phải gia công bề mặt nên thi công

nhanh, chịu tải động tốt Bất lợi là tốn công chế tạo (bulông, khoan lỗ) và liên kết nặng hơn, chiếm nhiều không gian hơn liên kết hàn

+ Liên kết đinh tán có tính chất chịu lực như bulông nhưng chất lượng rất đảm bảo, chịu được tải trọng rất

lớn tuy nhiên tốn vật liệu, thi công khó nên ít được sử dụng Ngày nay liên kết đinh tán được thay thế bằng

liên kết bulông cường độ cao

2 LIÊN KẾT HÀN

2.1 Những khái niệm cơ bản về hàn

+ Định nghĩa: hàn là phương pháp nối hai phần thép với nhau bằng cách nung chảy vật liệu, sau khi nguội

hai phần sẽ kết nối liên tục với nhau

+ Đa số các phương pháp hàn thường dùng vật liệu phụ thêm để nung chảy tạo nên đường hàn, gọi là que hàn hoặc dây hàn

+ Que hàn: có tiết diện tròn, lõi bên trong là thép, bên ngoài bọc một lớp thuốc

hàn mỏng Lớp thuốc hạn có vai trò làm lớp màng bao phủ khối thép nóng chảy,

ngăn cản tiếp xúc không khí gây xấu đường hàn

+ TCVN kí hiệu que hàn bằng chữ N kèm theo số hiệu biểu diễn giới hạn bền

của thép làm que hàn (bảng 3.1) Cường độ của thép que hàn phải phù hợp với thép cơ bản, không nên dùng cường độ quá cao so với thép cơ bản để tránh mối hàn quá cứng, ngăn cản biến dạng gây tập trung ứng suất

- TCVN về kết cấu thép khuyên dùng que hàn N42 hoặc N46 cho thép có fu<430N/mm2 (thép cácbon thấp); N46 hoặc N50 cho thép có fu>430N/mm2 (thép hợp kim thấp)

Bảng 2.1 Cường độ của que hàn theo TCVN 3223:1994

Loại que hàn Cường độ kéo đứt tiêu

chuẩn f wun [N/mm 2 ] Cường độ tính toán f wf [N/mm 2 ]

2.1.1 Một số phương pháp hàn

a) Hàn hồ quang điện: (Metal arc welding with covered electrode)

+ Khi phóng điện, giữa que hàn và thép cơ bản (thép cần hàn) có hồ quang điện nhiệt độ lên trên 20000C làm nóng chảy que hàn và lớp ngoài thép cơ bản Thép nóng chảy của que hàn bị lực hút điện trường hút

vào rãnh hàn và tạo thành đường hàn

Trang 16

+ Đây là phương pháp phổ biến nhất hiện nay Tùy thuộc vào thiết bị mà có thể phân ra: phương pháp hàn thủ công (dùng que hàn) và phương pháp hàn tự động (dùng dây hàn) Chất lượng hàn thủ công kém hơn

Sơ đồ hàn tay hồ quang điện

b) Hàn tự động hồ quang điện với khí hàn: (MIG/MAG welding)

+ Giống hàn hồ quang điện nhưng thay thuốc hàn bằng khí trơ hoặc khí hoạt tính

+ Ngày nay phương pháp MIG/MAG khá phổ biến

Hàn hồ quang điện với khí hàn

c) Hàn xì (hàn hơi):

+ Dùng oxy để đốt cháy axêtylen tạo trường nhiệt độ lên đến 32000C, thép nóng chảy tạo thành đường hàn + Phương pháp này năng suất thấp, thường dùng để cắt thép

d) Hàn điện trở (resistance spot welding)

- Coi các tấm thép cần hàn là điện trở, dưới tác dụng của dòng điện với cường độ lớn thép sẽ nóng chảy và liên kết với nhau, phương pháp này không cần que hàn

- Phương pháp này ít dùng trong xây dựng, chỉ dùng để sản xuất một số cấu kiện trong nhà máy yêu cầu độ chính xác cao

e) Một số phương pháp hàn khác: hàn plasma, micro-plasma, siêu âm hay laser

- Dùng các loại sóng rọi vào thép để gây nóng chảy: dường như không dùng trong xây dựng

2.1.2 Yêu cầu và các lỗi khi hàn

+ Khi hàn cần thực hiện một số yêu cầu sau để đảm bảo chất lượng đường hàn:

- Vệ sinh, làm sạch bề mặt rãnh cần hàn

Trang 17

- Gia công mép bản thép phù hợp với kiểu liên kết hàn

- Chọn loại que hàn thích hợp với thép cơ bản

- Nhiệt độ thích hợp Nếu nhiệt độ thấp sẽ không đủ để thép chảy hoàn toàn, liên kết phân tử rời rạc, chất lượng kém Nhiệt độ cao quá sẽ gây giòn thép vì một phần các chất trong thép bị đốt cháy

+ Ngoài các lỗi về hình học, các lỗi nguy hiểm gây phá hủy giòn có thể gặp sau khi hàn:

- Vết nứt

- Lỗi kết dính giữa thép mối hàn và thép cơ bản

- Không lấp đầy hoàn toàn rãnh hàn

- Bọt khí rỗng hoặc dị vật

2.1.3 Ứng suất hàn – biến hình hàn

+ Hiện tượng & nguyên nhân:

- Khi hàn thì nhiệt độ mối hàn rất cao, sau khi để nguội các thành phần của cấu kiện bị cong vênh

- Nguyên nhân: nguội không đều, tạo ra các ứng suất kéo và nén gọi là nội ứng suất (hay ứng suất dư)

- Tác hại: cong vênh, ứng suất dư gây phá hoại giòn

Biến dạng và ứng suất hàn

+ Biện pháp khắc phục:

- Giảm số lượng và chiều dày đường hàn một cách tối đa

- Tránh tập trung đường hàn vào một chỗ, tránh đường hàn kín và cắt nhau vì như vậy sẽ ngăn cản biến dạng tự do của các thành phần, dễ sinh trạng thái ứng suất phức tạp

- Chọn trình tự hàn thích hợp, chia nhỏ các đường hàn dài để hàn

- Tạo biến dạng ngược trước khi hàn …

2.1.4 Các phương pháp kiểm tra chất lượng đường hàn

+ Phương pháp không phá hủy như:

- Kiểm tra bằng mắt thường (visual testing): chỉ phát hiện được những lỗi hình học đơn giản: lệch,

lồi lõm, nứt lớn

- Kiểm tra bằng từ trường (magnetic particles testing): phát hiện được vết nứt bề mặt, dễ thực hiện

với độ tin cậy cao

- Tia X quang (radiation testing): xác định được các lỗi nằm trong mối hàn như bọt khí, dị vật tuy

nhiên tìm vết nứt không tốt Phương pháp này đắt và tốn nhiều công sức, nguy hiểm do phóng xạ

Trang 18

- Siêu âm (ultrasound testing): cho phép xác định được nhiều loại lỗi nhưng thiết bị phức tạp, đòi

hỏi nhiều kinh nghiệm

+ Phương pháp phá hủy được thực hiện trên các mẫu thử như:

Có hai loại đường hàn là đường hàn đối đầu và đường hàn góc

a) Đường hàn đối đầu:

- Các bản thép cơ bản cần hàn được đặt đối đầu nhau trên một mặt phẳng, đường hàn nằm ở khe hở nhỏ giữa hai cấu kiện Tùy theo phương tác dụng của lực mà có đường hàn đối đầu thẳng và đường hàn đối đầu xiên

- Ưu: truyền lực tốt, coi như phần kéo dài của thép cơ bản, không phải tốn thêm bản ghép, ứng suất phân bố đều, ít gây tập trung

- Nhược: khi bản thép cơ bản dày (t≥10mm) thì phải gia công mép Î tốn công chế tạo

Đường hàn đối đầu

Một số dạng gia công mép trong hàn đối đầu

b) Đường hàn góc:

- Nằm ở góc tạo bởi hai cấu kiện cần hàn đặt chồng lên nhau

Trang 19

- Dạng cơ bản của tiết diện đường hàn: hình tam giác cân, cạnh cân của tam giác gọi là chiều cao

đường hàn h f, đường cao của tam giác s h= f / 2 0,7≈ h f

- Trong một số tiêu chuẩn (Eurocode, AISC) người ta định nghĩa ngược lại : s là chiều cao đường hàn

Đường hàn góc

- Tùy theo vị trí của đường hàn so với phương tác dụng của lực người ta phân ra:

• Đường hàn góc đầu: vuông góc với phương tác dụng

• Đường hàn góc cạnh: song song với phương tác dụng

- Quy định: h f,min ≤ h f ≤ h f,max :

• h f,min ∈ t max Î tra bảng 43 TCVN, trong mọi trường hợp phải lấy h f không nhỏ hơn 4mm đối với hàn thủ công và không nhỏ hơn 3mm đối với hàn máy (tmax: chiều dày lớn nhất trong các bản thép liên kết)

• h f,max lấy giá trị nhỏ hơn trong 2 giá trị 1,2t min và 25mm(tmin: chiều dày bé nhất trong các bản thép liên kết)

- Chiều dài đường hàn l w được quy định như sau: l w,min ≤ l w ≤ l w,max

• l w,min lấy giá trị lớn hơn trong 2 giá trị 4h f và 40mm

• Đối với đường hàn góc cạnh: l w,max = 85β f h f ( β f là hệ số nghiên cứu ở phần tiếp theo)

c) Kí hiệu đường hàn

Trang 20

a) Đường hàn đối đầu

+ Khi mối hàn chịu nén hay cắt, cường độ tính toán đường hàn được lấy bằng cường độ tính toán thép cơ bản:

f f f

f w= ; wv =+ Khi chịu kéo hay uốn:

f

f w = : nếu kiểm tra đường hàn bằng phương pháp vật lí

f

f w =0,85 : kiểm tra bằng mắt thường

Î Vậy: nếu hàn đối đầu đảm bảo chất lượng thì có thể coi như kết cấu liên tục, không bị nối và không cần

tính toán đường hàn nữa

b) Đường hàn góc

+ Thực tế:

- Làm việc rất phức tạp, có thể chịu cả cắt, kéo (nén) và uốn

- Ứng suất phân bố không đều, thường tập trung ở mép ngoài đường hànÎkhông nên dùng đường hàn quá dài

+ Tính toán: coi mối hàn góc chỉ chịu cắt Î đơn giản, thiên về an toàn

- Với tiết diện đường hàn dạng cơ bản hình tam giác cân (thường là trường hợp hàn tay): chất lượng

đường hàn không tốt nên lấy β s =1, βf =1/ 2=0,7 (hình a)

Trang 21

- Thực tế: tiết diện đường hàn có dạng cầu (hình b) do có sự ăn sâu của đường hàn vào thép cơ bản nóng chảy; do đó các hệ số ăn sâu của đường hàn được cho trong từng trường hợp cụ thể trong bảng 2.2 (bảng 37 trong TCVN)

Tiết diện tính toán của đường hàn góc

+ Vì có hai khả năng phá hoại nên đối với hàn góc có hai cường độ tính toán chịu cắt quy ước:

- Theo kim loại mối hàn f wf (tiết diện 1-1): phụ thuộc vào vật liệu que hàn, f wf =0,55f wun /γ M trong đó

γ M là hệ số tin cậy về cường độ mối hàn; khi f wun ≤490MPa lấy γ M =1,25; khi f wun ≥590MPa lấy

γ M =1,35 Giá trị của cường độ tính toán f wf của một số que hàn tham khảo bảng 2.3

- Theo thép cơ bản f ws (tiết diện 2-2): f wf =0,45f u, f u là cường độ kéo đứt tức thời tiêu chuẩn của thép

cơ bản

- Trong thiết kế chọn que hàn sao cho f wf xấp xỉ f ws là hợp lí nhất

Bảng 2.2 Giá trị của các hệ sốβ fvàβ s

Trang 22

Bảng 2.3 Cường độ tính toán của đường hàn (bảng 7 trong TCVN)

2.3 Phương pháp tính toán các loại đường hàn

2.3.1 Đường hàn đối đầu

a) Chiều dài tính toán đường hàn đối đầu:

Thường các mép đầu đường hàn có chất lượng không tốt, nên có hai trường hợp như sau:

- Nếu có biện pháp kỹ thuật hàn bù mép thì chiều dài tính toán đường hàn bằng chiều dài thực tế của nó

- Nếu không có biện pháp kỹ thuật hàn bù mép thì:

(chiều dài tính toán đường hàn l w ) = (chiều dài thực tế)-2.(bề dày bản thép cần hàn)

b) Tính toán đường hàn đối đầu:

- Tiết diện đường hàn: Aw=bw.lw

- Kiểm tra bền tiết diện phụ thuộc vào trạng thái chịu lực, phương pháp kiểm tra đã trình bày ở chương 2

- Chú ý: đối với đường hàn đối đầu xiên chịu lực

dọc trục Î cho phép phân lực N thành 2 thành

phần vuông góc và song song với đường hàn; kiểm

tra bền đường hàn riêng biệt với hai trạng thái:

chịu lực dọc trục Nsinα và chịu lực cắt Ncosα

2.3.2 Đường hàn góc

Chú ý trong đường hàn góc, như đã quy ước chỉ có ứng suất trượt

Trang 23

a) Chiều dài tính toán đường hàn góc

Thường các mép đầu một đường hàn có chất lượng không tốt, nên chiều dài tính toán đường hàn góc lấy như sau:

(chiều dài tính toán đường hàn l w ) = (chiều dài thực tế)-10mm

b) Đường hàn chịu lực dọc trục đúng tâm N

+ Điều kiện bền theo vật liệu đường hàn (tiết diện 1-1):

wf c f

β f , β s : hệ số chiều sâu nóng chảy đường hàn

Σl w : tổng chiều dài tính toán đường hàn

f wf , f ws : cường độ tính toán đường hàn góc theo kim loại đường hàn và theo kim loại đường biên

N l

- Coi lực V truyền đều cho tất cả các đường hàn trong liên kết

- Tính toán hoàn toàn giống chịu lực N

d) Đường hàn chịu mômen M

d 1 ) Đường hàn góc cạnh (hình a)

Trang 24

Đường hàn góc chịu mômen, (a): góc cạnh, (b): góc đầu

+ Chuyển mômen uốn M thành cặp ngẫu lực có giá trị:

b

M

N M =+ Tính toán mỗi đường hàn như đường hàn góc chịu lực dọc trục N M

W là các mômen chống uốn của các tiết diện phá hủy tương ứng

+ Khi tính toán, nên xét tìm trước (βfw)min để biết trước phá hủy theo tiết diện 1-1 hay 2-2

e) Đường hàn chịu đồng thời lực dọc N, mômen M và lực cắt V

+ Nguyên tắc: tính ứng suất do từng tải trọng riêng rẽ gây ra rồi dùng nguyên lý cộng tác dụng để kiểm tra

bền

V

MN

+ Xét trước (βfw)min để biết đường hàn phá hoại theo tiết diện 1-1 hay 2-2

+ Ứng suất:

M

w

M W

τ =

w

N A

τ =

w

V A

τ =

∑

Trang 25

+ Điều kiện bền:

- Nếu (βf w ) min = β f f wf

wf c V M

- hai cấu kiện đặt chồng lên nhau và liên kết với nhau bằng đường hàn góc đầu hoặc góc cạnh

- Đoạn chồng lên nhau được chọn theo yêu cầu chiều dài đường hàn và phải đảm bảo yêu cầu cấu tạo a ≥ 5t min

+ Tính toán:

- Chọn chiều cao đường hàn h f

- Tính chiều dài tính toán đường hàn yêu cầu l w: tùy theo trạng thái chịu lực mà có thể tính theo các công thức tương ứng

+ Trường hợp nối thép góc với thép bản (hình b) chịu lực trục N

- Do lực N không nằm giữa hai đường hàn sống và mép Î mỗi đường hàn chịu một phần lực tỉ lệ

nghịch với khoảng cách đến đường đặt lực:

- Lực do đường hàn sống chịu: N 1 =kN, k<1

- Lực do đường hàn mép chịu: N 2 =(1-k)N

Trang 26

- Có thể lấy giá trị của hệ số k theo hình dưới:

Hệ số phân phối lực k khi liên kết thép góc với thép bản

2.4.3 Liên kết dùng bản ghép

+ Cấu tạo:

- Dùng bản ghép để truyền lực từ cấu kiện này sang cấu kiện khác

- Các bản ghép liên kết với cấu kiện cơ bản bằng các đường hàn góc

- Dùng để liên kết thép bản với thép bản, thép hình với thép hình

+ Ưu khuyết điểm:

- Đỡ tốn công gia công mép nhưng liên kết nặng, tốn vật liệu

- Dễ gây tập trung ứng suất, không nên dùng để chịu tải động Để giảm ứng suất tập trung ở góc vuông của bản ghép có thể cắt vát cạnh bản ghép

- Khi dùng bản thép góc để nối thép góc, nếu bề rộng cánh thép cần nối ≥130mm thì nên cắt vát bản

nối để đường hàn truyền lực tốt hơn (hình c)

Trang 27

- Chọn chiều cao đường hàn góc h f

- Tính chiều dài tính toán đường hàn yêu cầu l w: tùy theo trạng thái chịu lực mà có thể tính theo các công thức tương ứng

- Bố trí đường hàn

Trang 28

- Chữ I: (hình a) chịu uốn phẳng tốt Î làm dầm sàn nhà, sàn công tác, dầm cầu…

- Chữ U: (hình b) chịu uốn xiên tốt, có 1 mặt phẳng nên dễ liên kết Î làm xà gồ, dầm sườn tường + Đặc điểm:

- Dầm tổ hợp đinh tán (bulông) (hình b) thép bản bụng đứng, cánh dầm làm bằng 2 thép góc (có thể gia cường thêm bản phủ)

+ Đặc điểm:

- Tốn công chế tạo

- Có thể tạo kích thước lớn Î chịu được tải trọng lớn, kích thước có thể chọn tổi ưu Î tiết kiệm thép

Trang 29

CHÚ Ý:

- Khi thiết kế nên dùng dầm định hình nếu có thể để đỡ tốn công chế tạo

- Chỉ khi tải trọng lớn hay nhịp quá lớn không thể dùng dầm định hình thì mới dùng dầm tổ hợp

1.1.2 Theo sơ đồ kết cấu

Tùy theo sơ đồ kết cấu mà có thể có dầm đơn giản, dầm liên tục, dầm có mút thừa công sôn…

1.2 Hệ dầm

Là hệ thống kết cấu dầm dùng để đỡ bản sàn gồm dầm chính và dầm phụ Dầm phụ trực tiếp đỡ sàn và truyền tải trọng lên dầm chính

Trang 30

Các kiểu liên kết dầm

- Liên kết chồng: (hình a)

- Dầm phụ gác lên dầm chính

- Cấu tạo đơn giản, thi công nhanh

- Bản sàn chỉ gác lên dầm phụ Î làm việc theo 1 phương

- Làm tăng chiều cao kiến trúc

- Liên kết bằng mặt (hình b)

- Bố trí sao cho mặt trên các dầm có độ cao bằng nhau

- Thường sử dụng cho hệ dầm phổ thông

- Giảm chiều cao kiến trúc nên có khả năng tăng được chiều cao dầm chính

- Bản sàn làm việc theo 2 phương

- Kiểm tra tiết diện

Giả thiết dầm bị uốn quanh trục khỏe x của tiết diện

2.1 Chọn tiết diện

+ Từ sơ đồ kết cấu và tải trọng, xác định được nội lực trong dầm gồm mômen M và lực cắt V

Trang 31

+ Chọn sơ bộ sao cho tiết diện có khả năng chịu được mômen uốn lớn nhất trong dầm Î Tính môđun chống uốn cần thiết:

max

yc

c

M W

2.2 Kiểm tra tiết diện

Tiết diện vừa chọn mới chỉ có khả năng chịu được Mmax, cần kiểm tra các điều kiện khác

Trang 32

- Chịu cắt: kiểm tra tại vị trí có lực cắt lớn nhất,

max gh c

V ≤V γ

Đối với tiết diện I đối xứng, nếu tính đàn hồi thì: w

xS

x

I t

V =V = f

với S x: mômen tĩnh đối với trục trung hòa của ½ tiết diện nguyên

- Tác dụng đồng thời của (M&V): kiểm tra tại các vị trí có

M và V đều lớn, thường lại tại lực tập trung hay gối tựa

trung gian (gối B), chẳng hạn tính đàn hồi:

2 3 2

Cần chú ý điểm tính ứng suất trên tiết diện là điểm giao

giữa cánh và bụng như hình vẽ (thép hình vị trí này bị uốn

cong)

- Kiểm tra tại vị trí có lực tập trung cục bộ:

Khi dầm đỡ một dầm khác thì tại vị trí này có lực tập trung

cục bộ có thể gây nguy hiểm cho bản bụng của dầm Cần kiểm tra 2 vấn đề:

+ Ứng suất cục bộ:

w z

F f

Trang 33

- Gọi Pgh là lực mà dầm có thể chịu được theo điều kiện bền chịu uốn của tiết diện dầm khi không xét đến

ổn định (sức bền của tiết diện)

- Khi tải trọng P nhỏ, dầm vẫn làm việc bình thường

- Khi P tăng đến một giá trị giới hạn P cr <P gh, dầm bắt đầu vênh khỏi mặt phẳng một cách rõ rệt, ngoài chuyển vị thẳng đứng dầm còn có chuyển vị ngang và xoay

- Khi tăng giá trị P P> cr dầm sẽ nhanh chóng bị phá hủy

Như vậy trong trường hợp này, dầm bị phá hủy trước khi lực P đạt giá trị giới hạn Pgh, tức là chưa tận dụng

tối đa cường độ của thép

b) Ổn định dầm chịu uốn thuần túy

Bài toán ổn định đàn hồi cơ bản nhất được Timoshenko đề xuất cho dầm đơn giản hai đầu tựa khớp chịu

uốn thuần túy, nhịp l D

Coi các chuyển vị nhỏ, viết phương trình vi phân khi dầm chịu uốn với trục η và ζ và phương trình vi phân dầm chịu xoắn quanh trục ξ:

2 2

w(z)

0 dz

d

2 2

(z) ( ) 0 dz

Trang 34

Trong đó I t là mô men quán tính xoắn đều, Iω là mômen quán tính xoắn không đều của tiết diện

Giải phương trình vi phân trên thu được mômen tới hạn để dầm không mất ổn định là:

2 2

c) Bài toán tổng quát

Với trường hợp tổng quát, mômen tới hạn Mcr phụ thuộc vào nhiều yếu tố, có thể liệt kê như sau:

- Liên kết hai đầu dầm: liên kết có bậc tự do càng lớn (đối với góc xoay ϕ và chuyển vị ngoài mặt phẳng ν) thì độ ổn định càng cao

- Kiểu tải trọng: tải phân bố, tập trung,…

- Điểm đặt của tải trọng trên tiết diện: như hình vẽ, khi lực đặt ở cánh dưới thì thiên về an toàn, lực đặt cánh trên thì nguy hiểm hơn còn lực đặt trùng tâm trượt của tiết diện thì không ảnh hưởng

- Các sai số ngẫu nhiêu trong sản xuất tiết diện dầm: độ chính xác càng kém thì càng giảm khả năng chống mất ổn định

- Khoảng cách l 0 giữa các điểm trung gian giúp dầm chống lật: thực tế, dầm có thể được giữ bởi các thanh chống vuông góc như trong trường hợp dầm chính đỡ dầm phụ thì dầm phụ đóng vai trò làm

điểm giữ ngăn cản dầm chính chuyển vị ra ngoài mặt phẳng Chú ý điểm cố kết chỉ được tính khi

liên kết với cánh nén Khi thiết kế có thể xét ổn định từng đoạn dầm giữa các điểm cố kết, lúc này

coi nhịp dầm bằng l 0

Ảnh hưởng của các thông số trên có thể tham khảo trong Eurocode 3

c) Kiểm tra ổn định tổng thể theo TCVN 5575:2012

Tiêu chuẩn Việt Nam quy định kiểm tra như sau:

M

Mmax ≤ crγc

Trang 35

Với:

f W

M cr =ϕb⋅ xc⋅Trong đó:

- φ b ≤1: hệ số giảm khả năng chịu uốn khi xét ổn định tổng thể

85,0 khi

1 1

ϕϕ

+ Hệ số φ 1 tra công thức phụ lục E, TCVN Cụ thể đối với dầm thép hình chữ I hai trục đối xứng:

f

E l

h I

I x y

2

0

1 =ψ ⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞ϕ

trong đó hệ số Ψ tra bảng E.1 và E.2 phụ thuộc đặc điểm tải trọng và thông số α :

2 054,

I y

t

α

I t là mômen quán tính khi xoắn

+ Trong những trường hợp sau thì không cần kiểm tra ổn định tổng thể:

- Cánh chịu nén được liên kết chặt với sàn cứng

- Đối với dầm chữ I đối xứng hai trục hoặc có cánh nén mở rộng nhưng bề rộng cánh kéo không

nhỏ hơn 0,75 lần bề rộng cánh nén b f : l 0 /b f không nhỏ hơn các giá trị cho trong bảng

Giá trị lớn nhất của l 0 /b f để không cần kiểm tra ổn định tổng thể (bảng 13 TCVN)

2.2.3 Kiểm tra độ cứng

Dầm phải được kiểm tra độ võng theo TTGH 2:

Trang 36

ax

ax [ ] m m

- Kiểm tra tiết diện

- Thay đổi tiết diện theo chiều dài dầm (nếu cần)

- Tính toán và cấu tạo các chi tiết: nối dầm, liên kết cánh và bụng, gối dầm…

3.1.1 Chọn chiều cao tiết diện

+ Điều kiện khống chế: chiều cao tiết diện h phải thỏa mãn h≤hmaxvới h max là chiều cao lớn nhất phụ thuộc vào kiến trúc, yêu cầu khoảng thông thủy

+ Vấn đề tối ưu: ứng với điều kiện chịu lực cho sẵn thì tồn tại một giá trị h kt gọi là chiều cao kinh tế nhất, khi chọn chiều cao dầm h=h kt thì khối lượng dầm là nhỏ nhất

+ Xét dầm tiết diện chữ I đối xứng, tại một vị trí nào đó dầm chịu mô men M, giá trị hkt có thể thiết lập như sau :

• Trọng lượng 1m dài dầm: g d =g w +2g f

Hay:

ρ ψ ρ

w

g = + 2trong đó:

Trang 37

- A w , A f - diện tích tiết diện bụng, tiết diện một cánh dầm

- ψw , ψf - hệ số xét đến các chi tiết cấu tạo của bụng, của cánh dầm làm tăng khối lượng

- ρ - trọng lượng riêng của thép làm dầm

• Gọi N f là lực nén do cánh chịu,

fk f h

cM

N = ; trong đó c.M là phần mômen do cánh chịu, h fk là khoảng cách tâm hai cánh; theo điều kiện bền có:

f h

cM f

N A f A N

fk

f f f

Î Khối lượng 1m dầm:

ρψρ

fk w

w w

cM t

h

Một cách gần đúng cho h≈h w ≈h fk:

ρψρ

w d

cM ht

h g

• Tìm cực tiểu của hàm số g d (h)Î Chiều cao kinh tế:

w

yc w

w

f

W k t f M c

2ψψ

Với

w f c k

ψ

ψ2

= - hệ số phụ thuộc cấu tạo tiết diện dầm, trong thiết kế có thể lấy sơ bộ như sau:

λ gọi là độ mảnh bản bụng, chọn sơ bộ trong khoảng λw=100÷150

+ Vậy chọn h ≈ h kt thỏa h ≤h max

+ Thực hành hay chọn như sau:

 Nhà cửa: h=(1/15÷1/25)L

 Tải rất nặng (cầu trục lớn) : h=(1/7÷1/12)L

 Dầm cầu đường sắt : h=(1/12÷1/20)L

Trang 38

w hf

V t

γmax

=Nên chọn 6mm≤t w≤24mm để tránh ăn mòn và thuận tiện cho chế tạo

2

h A

I f ≈ f

- Mômen quán tính cần thiết của dầm:

2

h W

W t b

f f

c

yc f

M W

γmax

+ Chọn chiều rộng b f và chiều dày t f theo một số quy định như sau:

Nên lấy 8mm≤t f ≤24mm Ngoài ra nên chọn t w ≤t f ≤3t w để không bị tập trung ứng suất tại vùng liên kết hàn giữa bản bụng và cánh

Để đảm bảo ổn định cục bộ cho bản cánh khi chịu nén lấy:

f

E t

b

f

f = ≤λ

Để ứng suất pháp phân bố đều theo chiều rộng cánh dầm nên giới hạn: b f ≤30t f

Để dễ liên kết với các cấu kiện khác và để đảm bảo điều kiện ổn định tổng thể chọn:

mm b

f f

101180

Trang 39

191

w g

b t

t t

11

1101

+ Xác định tiết diện của bản đậy: tương tự như xác định tiết diện cánh dầm hàn, chỉ khác là có thêm thép góc

I yc ≈ yc

12

)2412(2

h t h t

2 2

4

)2412(2

4

d d d

2

+ Chọn các kích thước của tiết diện bản đậy:

- Chiều rộng bản đậy b d > 2b g +t w và b d ≤600mm

- Phần nhô ra của bản phủ phải đảm bảo điều kiện ổn định cục bộ: a1≤15t d khi n d =1 ; a1 ≤8t d khi

n d =2

- Khi chiều dày bản đậy t d >20mm thì nên chia thành 2 bản đậy

3.2 Kiểm tra tiết diện chọn

Kiểm tra tiểt diện dầm chọn gồm:

- Kiểm tra điều kiện bền

- Kiểm tra ổn định

- Kiểm tra độ cứng (độ võng)

3.2.1 Kiểm tra bền

Î Tương tự dầm thép hình

Trang 40

3.2.3 Kiểm tra ổn định

Ổn định dầm tổ hợp gồm hai vấn đề: ổn định tổng thể (chống lật) và ổn định cục bộ

a) Ổn định tổng thể

- Vấn đề kiểm tra ổn định dầm tổ hợp hoàn toàn tương tự dầm thép hình

- Vì dầm tổ hợp thường có độ mảnh lớn (chiều cao lớn hơn nhiều so với bề rộng) nên có thể kiểm tra ổn định tổng thể theo phương pháp thanh chịu nén tương đương (tham khảo thêm trong Eurocode 3)

2 2)1(

t E C

2ν

+ Cánh nén làm việc như bản chữ nhật tựa trên cạnh dài là bản bụng, chịu ứng suất nén đều

+ Vì bản bụng thường mảnh không đủ khả năng chống lại sự xoay của cánh khi biên tự do bản mất ổn định

vênh ra khỏi mặt phẳng Æ liên kết giữa cánh và bụng coi là khớp Î k = 0,25E

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	3,75 MB