Nghiên cứu tính toán kết cấu dầm cầu trục tiết diện đặc có sức trục nhỏ (luận văn thạc sĩ)

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp cao học ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp với đề tài: ―Nghiên cứu tính toán kết cấu dầm cầu trục tiết diện đặc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện Luận văn này, tác giả đã được người hướng dẫn khoa học là Thầy giáo PGS TS Nguyễn Hồng Sơn tận tình giúp đỡ, hướng dẫn cũng như tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành Luận văn của mình Qua đây tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy!

Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn kết cấu công trình Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, các thầy cô trong tiểu ban bảo vệ đề cương, các thầy cô trong tiểu ban kiểm tra tiến độ Luận văn, đã có những ý kiến góp ý quý báu cho nội dung Luận văn

Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ của khoa đào tạo sau đại học thuộc Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội đã giúp đỡ, chỉ dẫn trong quá trình học tập và nghiên cứu

Do thời gian thực hiện luận văn không nhiều, trình độ của tác giả có hạn, mặc

dù đã hết sức cố gắng nhưng trong nội dung Luận văn sẽ không tránh khỏi những sai sót, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các Thầy cô giáo và các học viên để Luận văn hoàn thiện hơn

Hà Nội, ngày , tháng , năm 2019

Tác giả luận văn

Vũ Tuấn Ngọc

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp cao học ngành kỹ thuật xây dựng công

trình dân dụng và công nghiệp với đề tài: ―Nghiên cứu tính toán kết cấu dầm cầu trục tiết diện đặc có sức trục nhỏ‖ là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của

tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

Hà Nội, ngày , tháng , năm 2019 Tác giả luận văn

Vũ Tuấn Ngọc

MỤC LỤC Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục bảng, biểu

Danh mục hình vẽ

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài……… 1

Mục đích nghiên cứu……….1

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu………2

Phương pháp nghiên cứu……… 2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài………2

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DẦM CẦU TRỤC THÉP 1.1 Nhà công nghiệp bằng thép 3

1.2 Dầm cầu trục thép 4

1.2.2 Khái niệm các bộ phận dầm cầu trục thép 4

1.2.2 Cấu tạo chi tiết các bộ phận dầm cầu trục thép 8

1.2.3 Ưu điểm và nhược điểm dầm cầu trục thép 11

1.3 Tình hình sử dụng và thiết kế dầm cầu trục thép 12

1.3.1 Sử dụng dầm cầu trục thép 12

1.3.2 Thiết kế dầm cầu trục thép 14

1.4 Nhận xét chung 15

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN DẦM CẦU TRỤC THÉP CÓ SỨC TRỤC NHỎ 2.1 Cấu tạo chung dầm cầu trục thép có sức trục nhỏ 16

2.1.1 Dầm cầu trục treo 16

2.1.2 Dầm cầu trục tựa 27

2.2. Tính toán dầm cầu trục treo 27

2.2.1 Sơ đồ tính, tải trọng tác dụng và nội lực 28

2.2.2 Lựa chọn kích thước tiết diện 29

2.2.3 Kiểm tra tiết diện dầm cầu trục 32

2.2.4. Quy trình tính toán 36

2.3. Tính toán dầm cầu trục tựa 38

2.3.1 Sơ đồ tính, tải trọng tác dụng và nội lực 38

2.3.2 Lựa chọn kích thước tiết diện 39

2.3.3 Kiểm tra tiết diện dầm cầu trục 42

2.3.4. Quy trình tính toán 47

CHƯƠNG 3 CÁC VÍ DỤ TÍNH TOÁN DẦM CẦU TRỤC 49

3.1 Dầm cầu trục thép với sức trục nhỏ treo ở xà ngang mái 49

3.1.1 Thông số đầu vào 49

3.1.2 Tính toán tải trọng và nội lực 49

3.1.3 Lựa chọn sơ bộ tiết diện 49

3.1.4 Kiểm tra khả năng chịu lực và độ võng của tiết diện 50

3.2. Tính toán dầm cầu trục treo dưới tạc động của hai cầu trục 56

3.2.1. Thông số đầu vào 56

3.2.2 Tính toán tải trọng và nội lực 56

3.2.3 Lựa chọn sơ bộ tiết diện 57

3.2.4. Kiểm tra khả năng chịu lực và độ võng của tiết diện 60

3.3 Dầm cầu trục điện điều khiển bằng tay, treo trên giàn mái với sơ đồ tính liên tục trên gối cứng 62

3.3.1 Thông số đầu vào 62

3.3.2. Tính toán tải trọng và nội lực 62

3.3.3. Lựa chọn sơ bộ tiết diện 63

3.3.4. Kiểm tra khả năng chịu lực và độ võng của tiết diện 63

3.4 Dầm cầu trục thép có sức trục nhỏ tựa vào vai cột 66

3.4.1 Thông số đầu vào 66

3.4.2. Tính toán tải trọng và nội lực 66

3.4.3. Lựa chọn sơ bộ tiết diện 68

3.4.4. Kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện 69

3.5 Dầm cầu trục tổ hợp hàn với tiết diện mở rộng cánh trên 71

3.5.1 Thông số đầu vào 71

3.5.2. Tính toán tải trọng và nội lực 71

3.5.3. Lựa chọn sơ bộ tiết diện 72

3.5.4. Kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC BẢNG, BIỂU

MỞ ĐẦU

* Lý do chọn đề tài

Hiện nay, kết cấu thép được sử dụng rộng rãi trong công trình xây dựng, trong

số đó có các nhà công nghiệp Một yếu tố ảnh hưởng khá lớn đến sự làm việc của kết cấu khung chịu lực đó là cầu trục, bởi tải trọng do chúng gây ra là tải trọng động, lặp đi lặp lại nhiều lần và dễ gây phá hoại cho kết cấu khung Khi phân loại cầu trục trong nhà công nghiệp, có cách phân loại theo chế độ làm việc (nhẹ, trung bình, nặng và rất nặng), theo sức nâng của cầu trục (sức trục trên 75 tấn, dưới 75 tấn

và sức trục nhỏ), hoặc phân loại theo tiết diện (tiết diện đặc, rỗng), cũng như việc phân loại theo vị trí đặt cầu trục (đặt ở vai cột – cầu trục tựa hoặc treo ở kết cấu mái) Hiện nay, loại cầu trục có sức trục nhỏ (dưới 20 tấn) được sử dụng rộng rãi trong các công trình công nghiệp nhẹ, dầm đỡ cầu trục có thể đặt ở vai cột dùng tiết diện chữ I định hình có gia cường cánh trên bằng thép bản hoặc thép góc để chịu lực ngang hoặc tiết diện chữ I không đối xứng tổ hợp hàn Loại dầm như thế sẽ khá đơn giản trong chế tạo, và có tính kinh tế hơn so với dầm cầu trục tiết diện chữ I tổ hợp hàn có dầm hãm Đồng thời, để tận dụng không gian kiến trúc của nhà hoặc khu vực hoạt động của cầu trục, một giải pháp bố trí cầu trục đó là treo chúng vào kết cấu dầm cầu trục, dầm cầu trục được liên kết với kết cấu xà ngang (giàn vì kèo) Theo đó, giải pháp dầm cầu trục treo và dầm cầu trục không có dầm hãm được sử dụng cho các nhà xưởng mà sức nâng của cầu trục nhỏ, đa số trong số đó là các cầu trục có sức nâng dưới 5 tấn Bên cạnh đó, tài liệu về Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép TCVN 5575-2012, cũng như các tài liệu khác ở trong nước đề cập khá ít về quy định khi thiết kế loại dầm đỡ cầu trục sức trục nhỏ, thiếu các bảng tra tính toán

và gây khó khăn cho ngưới thiết kế

Từ những phân tích nêu trên, đề tài ―Nghiên cứu tính toán kết cấu dầm cầu trục tiết diện đặc có sức trục nhỏ‖ có tính cấp thiết và tính thực tiễn cao

* Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu cách tính toán theo tiêu chuẩn và thực hành tính toán kết cấu dầm

đỡ cầu chạy với sức nâng của cầu trục không lớn, để áp dụng vào tính toán chúng trong thực tế thiết kế

- Kiến nghị các nhà chuyên môn về cách tính toán loại dầm cầu trục này trong thực tế

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Loại cầu trục treo ở xà ngang (giàn vì kèo) và cầu trục tựa (đặt ở vai cột không có dầm hãm), tiết diện đặc (chữ I định hình hoặc tổ hợp hàn), sử dụng cho các nhà công nghiệp

- Nghiên cứu cấu tạo và tính toán dầm cầu trục có sức trục nhỏ (dầm đỡ cầu chạy có sức nâng không lớn) tiết diện đặc, loại cầu trục treo và cầu trục tựa không

có dầm hãm, của nhà công nghiệp và thực hiện thí dụ tính toán.+

* Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp áp dụng lý thuyết để thực hiện các ví dụ tính toán từ đó rút ra kết luận

* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu các lý thuyết tính toán theo tiêu chuẩn từ đó đưa ra cách tính toán các loại dầm cầu trục này

- Ý nghĩa thực tiễn: Vận dụng tính toán kết cấu dầm cầu trục thép trong thực tế theo các yêu cầu, nhằm chỉ dẫn cho kỹ sư thiết kế có phương án thiết kế tối ưu nhất

NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DẦM CẦU TRỤC THÉP

1.1 Nhà công nghiệp bằng thép [1]

Nhà công nghiệp được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng công nghiệp Vật liệu sử dụng trong công trình nhà công nghiệp có thể là bê tông cốt thép (khi công trình có nhịp nhỏ và tải trọng không lớn lắm); vật liệu thép (khi công trình

có chiều cao lớn, nhịp lớn và sức trục lớn) hoặc hỗn hợp bê tông cốt thép và thép (công trình có nhịp lớn và sức trục không lớn lắm) Thông thường nhà công nghiệp thép được sử dụng khi công trình có chiều cao thông thủy H > 15 m, nhịp lớn L >

Khi nghiên cứu tải trọng động, tải trọng lặp do cầu trục gây nên, cần quan tâm xem cầu trục có làm việc thường xuyên hay không, cầu trục có hay phải vận chuyển với sức nâng lớn nhất hay không Người ta gọi đó là ―Chế độ làm việc của cầu trục‖

Chế độ làm việc của cầu trục khác nhau sẽ gây ảnh hưởng khác nhau tới kết cấu Cần phân loại nhà xưởng theo chế độ làm việc của cầu trục

Có thể phân loại nhà xưởng theo bốn chế độ làm việc của cầu trục:

+ Nhà có cầu trục chế độ làm việc nhẹ: thời gian hoạt động của cầu trục ít, rất hiếm khi làm việc với sức trục lớn nhất (chỉ có 15% thời gian sử dụng)

+ Nhà có cầu trục chế độ làm việc trung bình: làm việc như nhà có cầu trục chế độ làm việc nhẹ, song thời gian sử dụng nhiều hơn (khoảng 20% thời gian sử dụng)

+ Nhà có cầu trục chế độ làm việc nặng: là nhà xưởng có dây chuyền sản xuất lớn, xưởng chế tạo kết cấu v.v… Thời gian hoạt động khoảng 40÷60% thời gian sử dụng

+ Nhà có cầu trục chế độ làm việc rất nặng: thời gian làm việc hầu như liên tục (hơn 60% thời gian sử dụng) Thường xuyên làm việc với sức nâng lớn nhất

Hình 1.1 Kết cấu khung nhà công nghiệp một tầng

Khi thiết kế khung ngang nhà công nghiệp một tầng cần phải thỏa mãn đồng thời hai yêu cầu cơ bản: yêu cầu sử dụng và yêu cầu về kinh tế

Yêu cầu về sử dụng thể hiện ở các điểm sau:

+ Thuận tiện trong việc lắp đặt thiết bị máy móc;

+ Đảm bảo cho các thiết bị nâng cẩu làm việc bình thường;

+ Kết cấu bảo đảm độ bền và độ bền lâu;

+ Bảo đảm điều kiện thông gió chiếu sáng cho nhà

Yêu cầu về kinh tế: Khi thiết kế, cần bảo đảm chi phí thép và công chế tạo nhỏ nhất trong diều kiện thi công đơn giản và thông thường

1.2 Dầm cầu trục thép [1]

1.2.1 Khái niệm và các bộ phận dầm cầu trục thép

a) Khái niệm:

Kết cấu đỡ cầu trục là bộ phận để đỡ và làm đường chạy cho cầu trục, nó chịu toàn bộ lực thẳng đứng và lực hãm ngang của cầu trục để truyền vào khung ngang (Hình 1.2)

Hình 1.2 Kết cấu đỡ cầu trục

b) Các bộ phận dầm cầu trục thép:

Thông thường kết cấu cầu trục bao gồm: dầm cầu trục (1) chịu tải trọng thẳng đứng của cầu trục, kết cấu hãm (2) chịu tải trọng nằm ngang và ray cầu trục (3) (Hình 1.2a)

Dầm cầu trục là bộ phận chịu lực cơ bản của kết cấu cầu trục, tiết diện cầu trục

có thể có các dạng:

+ Tiết diện đặc: Tiết diện chữ I định hoặc tổ hợp từ các bản thép (Hình 1.2b,c) + Tiết diện rỗng: Giàn cầu trục, dùng khi sức trục nhẹ (Q ≤ 30t) và nhịp dầm lớn (Hình 1.2d)

Sử dụng giàn cầu trục tiết diện rỗng tiết kiệm được 15 ÷ 20% vật liệu so với tiết diện đặc, nhưng tốn công chế tạo hơn

Sơ đồ kết cấu của dầm cầu trục có thể làm dầm đơn giản (Hình 1.2b) hoặc dầm liên tục (Hình 1.2c) Dầm liên tục tiết kiệm khoảng 12 ÷ 15% vật liệu so với dầm đơn nhưng lắp ráp khó hơn Ngoài ra, do là kết cấu siêu tĩnh nên sẽ chịu ảnh hưởng lún trong gối tựa gây ứng suất trong dầm

Nếu nhà có giàn đỡ kèo và cầu trục sức nâng lớn, có thể kết hợp giàn đỡ kèo

và dầm cầu trục thành hệ kết cấu mà thanh cánh dưới của giàn đỡ kèo là dầm cầu trục (Hình 1.2e) Các dạng khác của dầm cầu trục là : dầm cầu trục treo và dầm cầu trục côngxon

Sơ đồ của dầm cầu trục có thể là dầm đơn giản hay là dầm liên tục, tiết diện dầm thường là chữ I định hình đặc biệt hoặc các kiểu tổ hợp

Kết cấu cầu trục có một số điều kiện làm việc khác với kết cấu dầm sàn: khi cầu trục làm việc sẽ sinh ra các lực thẳng đứng ( giá trị lớn đến 600 – 800 kN) và lực xô ngang ở các bánh xe, những lực này có vị trí di động theo chiều dài dầm, do

đó gây ra trạng thái ứng suất phức tạp ở bụng dầm với giá trị ứng suất lớn Những sai số do chế tạo, dựng lắp như hai đường ray không song song, không phẳng hay

sự nghiêng lệch của cầu trục cũng ảnh hưởng đến sự làm việc của dầm cầu trục

1.2.2 Cấu tạo chi tiết các bộ phận dầm cầu trục thép

a) Dầm và giàn cầu trục

* Đối với dầm cầu trục:

Dạng tiết diện của dầm cầu trục phụ thuộc vào tải trọng, nhịp và chế độ làm việc của cầu trục Khi là dầm đơn giản có nhịp nhỏ và sức nâng không lớn dùng tiết diện chữ I định hình có gia cường cánh trên bằng thép bản hay thép góc để chịu lực ngang T (hình 1.5a); hoặc tiết diện chữ I không đối xứng tổ hợp hàn (hình 1.5b) Khi nhịp dầm và sức nâng của cầu trục lớn hơn, sử dụng dầm tổ hợp hàn tiết diện chữ I có dầm hãm (hình 1.5c)

a) Thép định hình ; b-e) Tổ hợp hàn ; g) Hai bản bụng ; h) buloong cường độ cao

Để giảm chi phí, dầm cầu trục được thiết kế từ hai loại thép: bụng dầm bằng thép các bon thấp, cánh dầm bằng thép hợp kim thấp Trong nhà có chế độ làm việc nặng, thường xuất hiện sự hư hỏng ở vùng phía trên của bụng dầm cầu trục, nên tại

đó được gia cường bằng bản thẳng đứng hoặc bản chống xiên (hình 1.5e), đôi khi dùng dầm hai bản bụng (hình 1.5g) Các biện pháp cấu tạo này nhằm giảm ứng suất cục bộ trong bản bụng dầm do áp lực của bánh xe cầu chạy và tăng độ cứng chống xoắn của dầm Dầm bu lông cường độ cao nặng hơn và tốn công chế tạo hơn so với dầm hàn, nhưng tiết diện cánh trên khỏe hơn (bao gồm bản đậy và thép góc cánh),

lại không có ứng suất hàn, liên kết giữa cánh và bụng bằng bu lông cường độ cao chịu lực chấn động tốt hơn Do đó dầm cầu trục bu bông cường độ cao sử dụng cho các nhà máy luyện kim đen có chế độ làm việc rất nặng (hiện nay rất hiếm) (hình 1.5h)

Khi cầu trục có sức nâng lớn và nhịp dầm lớn (hơn 30m) người ta còn dùng kết cấu cầu trục có giàn đỡ phụ hoặc dùng dầm tiết diện kín

* Đối với giàn cầu trục:

Giàn cầu trục thường được được sử dụng khi nhịp từ 12m trở lên và cầu trục

có sức nâng không lớn lắm (Q ≤ 30t), chế độ làm việc nhẹ và trung bình (hình 1.6)

Giàn cầu trục thường có dạng cánh song song, hệ thanh bụng tam giác với các thanh đứng Chiều cao của giàn hd lấy trong khoảng (1/6 – 1/8) nhịp, khoảng cách giữa hai nút giàn d = (0,8 ÷ 1,3)hd và không lớn hơn 3m Thanh cánh trên của dàn chịu lực nén và uốn cục bộ ( do bánh xe cầu trục đặt ở khoảng giữa hai nút giàn) nên tiết diện được thiết kế ở dạng chữ I tổ hợp (cánh rộng) hoặc thép thép định hình

có gia cường thêm thép góc, thép bản (Hình 1.6b), với chiều cao hc không nhỏ hơn (1/5 – 1/7) khoảng cách hai nút giàn d Các thanh bụng giàn làm bằng hai thép góc, trục của chúng hộ tụ tại mép dưới của thanh cánh trên (Hình 1.6a), thanh cánh dưới

làm bằng thép chữ T hoặc hai thép góc Chiều dày bản mã không nhỏ hơn 10mm

do sự di chuyển của cầu trục, nội lực của một số thanh giàn sẽ đổi dấu, do đó phải lưu ý đến cấu tạo nút để giảm ứng suất tập trung, đặc biệt là đường hàn giữa thanh bụng và thanh cánh cánh phải được thực hiện với chất lượng cao Tại nút giàn liên kết thanh bụng và thanh cánh, bản bụng của thanh cánh được gia cường sườn cứng b) Dầm và giàn hãm

* Đối với dầm hãm:

+ Ở nhịp bên: cánh trên của dầm cầu trục, bản dầm hãm và thanh biên (thường

là thép hình chữ C) hoặc là cánh của giàn đỡ phụ (hình 1.7b,c)

+ Ở nhịp giữa: hai cánh trên của hai dầm cầu trục và bản dầm hãm (hình 1.7d,e) Để đảm bảo ổn định cục bộ và tăng độ cứng, mặt dưới của bản dầm hãm được gia cường bằng sườn cứng 2 có kích thước 65×6 mm để đặt cách nhau 1,5 – 2m Để tăng độ cứng ngang cho kết cấu cầu trục, trong trường hợp nhà có cột sườn tác gối mềm trung gian bằng cách dùng bản thép 1 dày 6 – 8mm liên kết thanh biên chữ U vào cột sườn tường (hình 1.7a)

Hình 1.7 Tiết diện dầm hãm

a, b,c) ở nhịp biên ; d,e) ở nhịp giữa;

* Đối với giàn hãm:

Khi bề rộng dầm hãm nhỏ hơn 1,25 – 1,5 m nên dùng bản đặc và khi lớn hơn 1,5 m thì dùng giàn hãm sẽ tiết kiệm vật liệu hơn Thanh bụng của giàn hãm làm

bằng một thép góc, sơ đồ hình tam giác có thanh đứng (Hình 1.8 a,b) Nhằm làm tăng độ cứng không gian cho hệ giàn hãm và hạn chế sự dao động của cánh dưới dầm, ở mặt phẳng cánh cánh dưới của dầm cầu trục được bố trí thêm các thanh giằng với độ mảnh giới hạn (Hình 1.8c) Trong nhà có chế độ làm việc nặng, luôn luôn dùng giàn hãm mà không phụ thuộc vào bề rộng của kết cấu hãm

a - ở dãy cột biên; b - ở dãy cột giữa; c - giằng mặt phẳng cánh dưới

c) Ray

Để làm đường ray cho bánh xe cầu trục, người ta dùng loại ray chuyên dụng (

ví dụ ray kí hiệu KP theo tiêu chuẩn Nga), số hiệu của ray lấy theo sức nâng Q của cầu trục Khi sức nâng Q đến 20 tấn, có thể dùng ray đường sắt ví dụ loại P-38 hoặc P-43 Liên kết cần bảo đảm sự thẳng của ray Vì trong quá trình làm việc, ray bị dịch chuyển, do đó không nên hàn ray vào cánh dầm

1.2.3 Ưu điểm và nhược điểm dầm cầu trục thép

a) Ưu điểm

Có khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao Cầu trục thép có khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao do vật liệu thép có cường độ lớn,lớn nhất trong các vật liệu xây dựng Độ tin cậy cao là do cấu trúc thuần nhất của vật liệu, sự làm việc đàn hồi và

dẻo của thép gần sát với lý thuyết tính toán Sự làm việc thực tế của cầu trụcthép phù hợp với lý thuyết tính toán

-Trọng lượng nhẹ Kết cấu cầu thép nhẹ nhất trong số các loại kết cấu cầu, để đánh giá phẩm chất ―nhẹ‖ của vật liệu người ta thường dùng hệ số c là tỷ số giữa trọng lượng riêng và cường độ chịu lực của nó

-Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp Do trọng lượng nhẹ, việc vận chuyển

và lắp dựng các cấu kiện thép dễ giàng và nhanh chóng

-Tính công nghiệp hóa cao Do sự sản xuất vật liệu hoàn toàn trong nhà máy,

và sự chế tạo cấu kiện thép được làm chủ yếu trong các nhà máy chuyên ngành hoặc

ít ra cũng dùng những loại máy mọc thiết bị chuyên dụng, thích hợp nhất với điều kiện cơ giới hóa triệt để

Hình 1.10 Dầm cầu trục trong nhà máy

a – dầm cầu trục tựa của cho nhà máy chế tạo thiết bị điện Đông Anh; b - dầm cầu

trục treo của nhà máy tôn Phương Nam 1.3.2 Thiết kế dầm cầu trục thép [2]

Thiết kế dầm cầu trục thép tương tự như dầm thép thường, cần lưu ý khi xác định nội lực cho dầm cầu trục do tải trọng tác dụng là tải trọng động và trình tự thiết

kế như sau:

Bước 1: Xác định tải trọng tác dụng lên dầm cầu trục (bao gồm tải trọng đứng

và lực hãm ngang của cầu trục)

Bước 2: Xác định nội lực

Bước 3: Thiết kế tiết diện dầm cầu trục (theo điều kiện bền và biến dạng) Bước 4: Kiểm tra lại tiết diện dầm cầu trục vừa thiết kế (theo điều kiện bền và biến dạng)

Ngoài ra tác giả cũng làm một cuộc khảo sát nhỏ bằng cách liên lạc bằng điện thoại hoặc gửi email đến mười lăm công ty chuyên thiết kế và sản xuất dầm cầu trục như công ty cổ phần cầu trục và thiết bị AVC; công ty TNHH MTV thiết bị CG; công ty tư vấn đầu tư phát triển và xây dựng THIKECO, công ty TNHH nhà thép tiền chế Zamil steel Việt Nam, v.v để tìm hiểu xem hiện nay loại dầm cầu trục nào đang được sử dụng phổ biến; khách hàng quan tâm nhiều nhất đến cầu trục có sức nâng bao nhiêu tấn và hiện nay các công ty thiết kế thường hay sử dụng tiêu chuẩn thiết kế nào để thiết kế dầm cầu trục

Kết quả cho thấy hiện nay loại dầm cầu trục có sức trục dưới 5T đang được sử dụng rất phổ biến ở các nhà xưởng, nhà máy, các khu công nghiệp v.v Đối với các đơn vị thiết kế thì tùy theo yêu cầu của chủ đầu tư thì đơn vị thiết kế sẽ áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp Thông thường họ sử dụng chủ yếu là Tiêu chuẩn thiết

kế kết cấu thép TCVN 5575-2012 Tuy nhiên tiêu chuẩn này lại đề cập khá ít đến cầu trục sức trục nhỏ nên họ kết hợp thêm các tiêu chuẩn của Mỹ AISC360-10 – thiết kế kết cấu thép theo tiêu chuẩn Mỹ và các tiêu chuẩn của Châu Âu như EN 1991-5:1998 và EN 1993-6:1999

Phần mở đầu và chương 1 của luận văn đã xác định được các vấn đề phương pháp luận nghiên cứu: Từ tính cấp thiết và tình hình nghiên cứu ứng dụng thực tiễn của đề tài, luận văn đã xác định mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu, v.v Đồng thời làm rõ các vấn đề tổng quan về dầm cầu trục thép trong tình hình sử dụng và thiết kế Kết quả đạt được là cơ sở để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu ở các chương 2 và 3

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN DẦM CẦU TRỤC THÉP CÓ

mô đun 6m hoặc 12m

Đặc điểm chính của dầm đỡ cầu trục treo là các bánh xe của hệ thống vận chuyển di động và tỳ lên mặt trên của cánh dưới dầm, bản chất cánh dưới dầm chính

là đường ray của cầu trục treo Khi cầu trục chuyển động nhiều lần sẽ gây mòn

và tạo sự mỏi cho cánh dưới dầm, để tăng thời gian sử dụng và độ bền của cánh dưới dầm thì tốt nhất nên sử dụng dầm làm từ vật liệu thép có độ bền chịu mài mòn cao, ví dụ như thép hợp kim thấp - tương đương loại 09Mn2 theo Phụ lục A Tiêu chuẩn Việt Nam.[4]

Q

Q(a)

(b)

2

Đối với trường hợp khung ngang sử dụng giàn mái với bước khung đến 12m,

và sức trục lớn hơn 5T thì giải pháp hiệu quả là lắp dọc theo dầm cầu trục treo tại vị trí điểm treo một hệ giàn dọc (giàn giằng đặt thẳng đứng), với cánh dưới làm từ thép

I cán nóng mà chữ I cánh dưới như là dầm cầu trục (Hình 2.1a) Khi đó, với giải pháp này nhằm đảm bảo ổn định tổng thể cho giàn và làm tăng hiệu quả sự làm việc không gian với tải trọng ngang của cầu trục, do tải trọng này được chia ra cho vài giàn mái lân cận Còn đối với trường hợp cầu trục treo ở xà ngang của khung (Hình 2.1b), sử dụng thanh chống dọc tại vị trí bố trí điểm treo, thanh chống dọc sẽ liên kết các xà ngang thông qua các sườn ngang gia cường đặt ở hai phía của bản bụng Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống vận chuyển treo gây tải trọng phụ lên mái do

đó cần tính chi phí thép cho giàn mái Nhưng những chi phí này được bù đắp bởi chi phí sử dụng

Khi tính toán giàn mái với hệ thống vận chuyển treo có thể tính toán tiếp tải trọng bởi tác động đặt lên giàn bằng phản lực dầm tại hệ treo trên mái

Trong trường hợp có thể cấu tạo hệ thống vận chuyển treo bằng cách treo dầm thì thuận lợi hơn khi tính toán giàn mái khi không kể đến tải trọng tập trung sử dụng tải trọng phân bố đều tương đương lên mái

Bảng 2.1 : Tải trọng phân bố tính toán tương đương phân bố theo momen uốn lên giàn mái có cầu trục treo

0,55 1,1 0,3 0,6

0,77 1,65 0,43 0,86

1,1 2,5 0,64 1,34 Hai cần

trục

24

1,43 1,12

2,46 1,87

3,3 2,5

5,4 4,2

12 18

24

0,77 0,59

1,25 0,99

1,73 1,34

2,78 2,26

Ghi chú : Trong tính toán tải trọng tương đương phải kể đến hệ số vượt tải bởi tải trọng thường xuyên n = 1,1 , bởi cầu trục là 1,2

Tải trọng phân bố đều tương đương chỉ ra ở bảng 2.1 tương đương theo momen uốn và gần tương đương về lực cắt đối với các thanh xiên ở gối và các tấm panel trên mái Tải trọng phân bố đều tương đương theo lực cắt đối với thanh xiên ở giữa nhịp là khác với giá trị cho trong bảng 2.5 Tuy nhiên các tiết diện thanh xiên này thường bị hỏng không phải do độ bền mà là do độ mảnh giới hạn và việc chính xác hóa tải trọng tương đương này không có ý nghĩa thực tế

Bảng 2.2 Các thép định hình cho dầm cầu trục treo nhịp 6-12m ( khuyến nghị )

( Lấy theo bảng 27 tài liệu [6])

Móc treo điều khiển bằng tay

Móc treo điều khiển bằng tay

Xe con chạy điện có gầu ngoạm

Xe con chạy điện có móc cẩu

Dầm cầu trục điều khiển bằng tay

Cầu trục điện treo

24M, 30M 18−

24 0,5 18M,

30M

20−27

18M, 24M 16−24

18M 16−18

30M 16−24

24M, 30M 20−

27

; 22−100×

6;

24

18M 20−90

×6

18M, 24M 20−90

×6;

22−100×6;

24;

27

30M 24;27

24M, 36M 20−90×

24−200×6

45M 30−120×6;

36−130×6;

24M, 30M 24−100×6;

27−100×6

24M, 36M 22−100

24M, 45M 27−110×8;

30−120×8;

33−130×6;

36−130×6

36M, 45M 30−120×8;

33−130×6;

36−130×6

36M, 45M 30−120×8;

33−130×6;

36−130×6

30M, 45M 27−110

×8; 30−120

×8; 33−130

Ghi chú : Ở phía trên dòng gạch ngang là số hiệu theo ГОСТ 19425_74* và

TU 2-427-80 Bên trái hoặc một chữ số cho nhịp 6m , ở bên phải cho nhịp 12m

Ở dưới dòng gạch ngang là số hiệu theo ГОСТ 19425_74* và TU 2-427-80 là kích thước tấm bản gia cường

y

y

(c) y

×6; 36−130

36−130×10;

45−140×12

45M 30−120×10;

36−130×6 36−130×10

45−140×12

− 45M

45−140×12

Hình 2.3 Sơ đồ kích thước cánh dầm

Các dạng tiết diện dầm cầu trục treo được sử dụng ( hình 2.2 ) :

1 Từ các thép chữ I đặc biệt theo ГОСТ 19425_74* và TU 2-427-80 ( thép 18M – 45M ) chủ yếu dùng cho dầm có nhịp 6m ( theo bảng 2 ) Cánh trên của dầm nhịp 12m có thể được gia cường bằng thép góc Việc gia cường cánh phía trên mục đích là để tránh mất ổn định tổng thể

2 Từ các thép chữ I thông thường theo ГОСТ 8239_72* chủ yếu cho dầm có nhịp 6m Với sự gia cường cánh dưới bằng thép bản hàn vào bằng mối hàn thép góc dùng cho cơ cấu nâng

Ghi chú : Ở phía trên dòng gạch ngang là số hiệu theo ГОСТ 19425_74* và

TU 2-427-80 Bên trái hoặc một chữ số cho nhịp 6m , ở bên phải cho nhịp 12m

Ở dưới dòng gạch ngang là số hiệu theo ГОСТ 19425_74* và TU 2-427-80 là kích thước tấm bản gia cường

Với sức trục là 2T thì với cánh trên liên kết dầm gia cường bằng tính toán ( bảng 2-4 ) Khi sử dụng thép chữ I có kích thước lớn do ddieuf kiện kích thước cầu chạy đôi khi cần phải làm hẹp cánh dưới bằng cách phay bớt

Bảng 2.3 Các đặc trưng thép chữ I theo ГОСТ 8239_72* cho dầm cầu trục treo không gia cường

( Lấy theo bảng 28 tài liệu [6] )

It (cm4)

Kt=

tJ

0, 4

J

Số hiệu

Iω (cm4 )

ω (cm2)

It (cm4)

Kt=

tJ

Bảng 2.4 Các đặc trưng thép chữ I theo ГОСТ 8239_72* cùng với tấm gia

cường cánh dưới dùng cho dầm cầu trục treo

( Lấy theo bảng 29 tài liệu [6] )

Trọng lượng

1 m dài (kg)

Ix (cm4)

Wup (cm2)

Wx (cm3)

Iy (cm4)

Trọng tâm kể

từ mép dưới

45 130X16 105,4 83 37030 1350 1940 1174 19,1

3 Dùng thép chữ I tổ hợp sử dụng hai loại thép với cánh trên được mở rộng làm từ thép BCT3 và cánh dưới từ thép chữ T đặc biệt của nhà máy sản xuất Từ mái thép 14G2 cho dầm nhịp 6m cũng như 12m (bảng 30-32) Để tăng cường độ cứng theo phương ngang thì tốt nhất cánh trên sử dụng thép chữ U cán nóng hoặc uốn nguội

4 Từ thép chữ I hàn với cánh trên mở rộng và cánh dưới là ray chữ T chuyên dụng

Bảng 2.5 Các đặc trưng của thép chữ T ở cánh dưới làm từ thép định hình

( lấy theo bảng 30 tài liệu [6])

Jz(cm4)

A (cm2)

Ix (cm4) Wx , sup

(cm3) Kích thước

(mm)

Số hiệu cánh dưới

Cánh trên

Bụng

Móc treo điều khiển bằng tay

Sức nâng cầu trục (T)

Cần trục điện

Móc treo điện

Móc treo điều khiển bằng tay

Bảng 2.8 Các đặc trưng của cầu trục điện treo

( lấy theo bảng 33 tài liệu [6])

Cho một bánh xe ,

0.31 4,3

4,83 5,25 5,25

0,59 7,0—7,75

8,1 8,2—8,55 8,95

0,89 10,8

10,8—12,63

15 2400 26,26

26,26

12,64—13,13 13,3

Bảng 2.9 Các đặc trưng của thép chữ T ở cánh dưới làm từ thép định hình [5]

Jz(cm4)

2 13,2 120 28 11 8 25 7,85 16,8 5,4 179,8

3 16,0 120 31 14 8 25 9,15 20,4 8,0 222,3

4 20,7 120 36 19 8 25 11,2 26,4 14,4 294,3

Có thể thấy rằng, với dầm cầu trục có nhịp nhỏ và sức trục không lớn (sức trục

Q  30 tấn), chế độ làm việc nhẹ hoặc trung bình thì không sử dụng dầm hãm Cấu tạo tiết diện là chữ I định hình, hoặc chữ I định hình có gia cường cánh trên bằng thép bản hoặc thép góc, đôi khi dùng tiết diện chữ I tổ hợp hàn không đối xứng, như

ở hình 2.4

Hình 2.4 Một số tiết diện dầm cầu trục

2.2 Tính toán dầm cầu trục treo [4; 6]

Độ cứng gối tựa có ảnh hưởng lớn tới sự làm việc của dầm cầu trục Vị trí điểm treo dầm cần bố trí gần hơn về phía cột, hoặc ở vị trí độ võng kết cấu mái nhỏ

và có thể bỏ qua, lúc này dầm được tính như dầm liên tục kê trên các gối tựa cứng Khi vị trí điểm treo bố trí ở khoảng giữa nhịp của kết cấu mái, sơ đồ tính dầm cầu trục cần thiết xét tới chuyển vị của gối tựa, và lúc này xem như dầm đặt trên các gối

tựa đàn hồi, ảnh hưởng của chuyển vị gối tựa là đáng kể khi cần cẩu càng ở gần Khi nền đất (móng) bị lún, hợp lý hơn là cấu tạo sơ đồ dầm đơn giản

2.2.1 Sơ đồ tính, tải trọng tác dụng và nội lực

Tính toán tải trọng

Tải trọng tác dụng lên cầu trục treo gồm: tải trọng thường xuyên do trọng lượng bản thân, được xác định từ trọng lượng dầm và các chi tiết liên kết (hệ số độ tin cậy 0 = 1,2), tải trọng tạm thời do cầu trục di chuyển (hệ số độ tin cậy,  = 1,2) Tải trọng tạm thời được tính toán như sau:

Tải trọng tập trung thẳng đứng gây bởi các bánh xe cầu trục, lấy theo số liệu của yêu cầu công nghệ; tải trọng tập trung theo phương ngang cho cầu trục có móc mềm xác định gần đúng theo công thức: T1n = 0,05P1n (P1n, T1n – tải trọng thẳng đứng và nằm ngang tiêu chuẩn của cầu trục treo) Khi đó, hệ số động lực đối với tải trọng thẳng đứng, đ = 1,1, và với tải ngang, đ = 1,0, các hệ số động lực không phụ thuộc chế độ làm việc của cầu trục Hệ số động lực được kể đến khi tính toán cho các trường hợp: khi tính dầm cầu trục treo về bền và ổn định; đối với cầu trục móc treo điện khi tính toán về ổn định; đối với tất cả các loại cầu trục treo khi tính liên kết dầm với kết cấu đỡ Khi đó, tải trọng tạm thời tính toán bởi thiết bị nâng theo phương đứng và phương ngang là:

Khi tính toán dầm cầu trục treo và các chi tiết để liên kết chúng vào kết cấu

đỡ, phải tính đến tải trọng thẳng đứng và nằm ngang với số cầu trục thực tế, nhưng không quá 2 cầu trục hoạt động trong nhịp

Theo sơ đồ cấu tạo, dầm cầu trục treo có sơ đồ tính là một nhịp (sơ đồ đơn giản) hoặc nhiều nhịp (kéo dài hết khối nhiệt độ), với sơ đồ nhiều nhịp thì qui ước

tính nội lực và chuyển vị đến 3 nhịp là đủ độ chính xác yêu cầu Việc xác định nội lực trong dầm có sơ đồ đơn giản thực hiện bằng cách vẽ đường ảnh hưởng hoặc dựa theo nguyên tắc Vinkle, với sơ đồ dầm liên tục thường sử dụng đường ảnh hưởng Theo đó, mô men uốn và lực cắt Mx, My và Va được xác định theo công thức sau

M T Ly (2.4)

Va P1yiV (2.5) trong đó:

P1, T1 – tải trọng thẳng đứng và nằm ngang tính toán của một móc;

yiM, yiV – tung độ tương ứng với mô men và lực cắt của đường ảnh hưởng do tác động của tải trọng

2.2.2 Lựa chọn kích thước tiết diện

a Lựa chọn chiều cao tiết diện

Bi mômen uốn xoắn cho sơ đồ dầm đơn giản và liên tục của dầm cầu trục, với

độ chính xác vừa phải trong tính toán thực hành coi như là dầm đơn giản, xác định như sau:

t

T eB

k





T1 – tổng các áp lực ngang tính toán của các móc cẩu dưới dạng lực tập trung;

e – tọa độ tâm uốn (chính là độ lệch tâm của lực T1), xác định theo công thức:

 - hệ số, xác định theo Hình 2.5 [6], được lấy theo giá trị ở biểu đồ, phụ thuộc vào đặc trưng uốn xoắn kt  (0,4It/J)0,5và các đường cong tương ứng với nhịp và kích thước cơ sở của cầu trục;

(1-3 cho nhịp L =12m, kích thước cơ sở cầu trục 1,35m, 2,25m và 2,85m; 4-6 cho nhịp L =6m, kích thước cơ sở cầu trục 1,35m, 2,25m và 2,85m)

It – mô men quán tính xoắn của tiết diện, xác định It = (/3)b.t3;

 - hệ số, xác định như sau:  = 1,3 cho dầm thép chữ I hai trục đối xứng,  = 1,25 cho dầm thép chữ I một trục đối xứng,  = 1,2 cho dầm thép chữ T;

b, t – chiều rộng và chiều dày của các bản thép tạo nên tiết diện chữ I

J - bi mômen quán tính, xác định theo công thức:

2

1 2 1 y

h1 – khoảng cách trọng tâm của hai cánh dầm

Khi lựa chọn sơ đồ kết cấu, cũng như tính toán tĩnh học của cầu trục treo, cần tính đến các điều sau:

0,6



k =t

1234

65

0,4IJ

t



(1) Hệ dầm liên tục là kinh tế hơn, giảm chi phí thép đến 15% so với hệ dầm đơn giản Tuy nhiên, sử dụng chúng khi có đủ độ tin cậy, còn khi xây dựng công trình ở vùng đất yếu cần thiết kế với sơ đồ dầm đơn giản

(2) Khi tính toán tĩnh học dầm cầu trục treo liên tục có các gối đỡ là điểm treo

ở giàn mái hoặc xà ngang của khung, do có chuyển vị tương đối nên chúng là các gối đàn hồi Mô men uốn tính toán ở giữa nhịp dầm cần phải tăng lên do có sự chuyển dịch theo phương đứng tại các điểm treo:

1,02EIM

L

trong đó:

E – mô đun đàn hồi của thép;

Ix – mô men quán tính của dầm;

b Lựa chọn tiết diện cánh trên và cánh dưới

Lựa chọn sơ bộ tiết diện dầm cầu trục treo theo giá trị mô men kháng uốn yêu cầu của phần cánh dưới: w x

x,yc

c

k MW