Bài giảng Kết cấu thép 1 - Chương 3: Dầm thép

Bài giảng Kết cấu thép 1 - Chương 3 trình bày về dầm thép. Chương này gồm có những nội dung chính sau: Đại cương về dầm và hệ dầm, kích thước chính của dầm, thiết kế dầm thép hình, thiết kế dầm tổ hợp, ổn định tổng thể dầm thép, ổn định cục bộ, nối dầm và gối dầm. Mời các bạn cùng tham khảo.

KẾT CẤU THÉP

 Chương 0  T ng quan v  K t C u Thép  ổ ề ế ấ

  Chương 1  V t Li u và S  Làm Vi c c a KC  ậ ệ ự ệ ủ

KẾT CẤU THÉP

Chương 3 - DẦM THÉP

1 D m thép ầ

2 H  d m thép ệ ầ

3 B n s àn thép ả

I ĐẠI CƯƠNG VỀ DẦM VÀ HỆ DẦM

• Dầm  Chịu uốn chủ yếu (M và V)

• 2 loại dầm thép: Dầm hình và Dầm tổ hợp

1. D m thép ầ

• Dầm hình:

• Làm từ một thép hình

• Theo tiết diện: có đối xứng và không đối xứng

• Theo cách chế tạo: có cán nóng, dập nguội

1. D m thép ầ

Hệ dầm phổ thông Hệ dầm phức tạp

2. H  d m thép ệ ầ

• Cấu tạo bản sàn thép:

• Bản thép được gối trên một trong 3 kiểu dầm trên

• Bản thép được hàn với cánh dầm bằng Đường Hàn Góc

Lo i c u ki nạ ấ ệ Đ  võng cho phépộ

D m có đầ ường ray:

1. D m đ  s àn công tác có đầ ỡ ường ray n ng 35kg/m và l n h nặ ớ ơ

2. Nh  trên, khi đư ường ray n ng 25kg/m và nh  h nặ ỏ ơ L/600

L/400

Xà g :ồ

1. Mái l p ngói không đ p v a, mái t m tôn nhợ ắ ữ ấ ỏ

2. Mái l p ngói có đ p v a, mái tôn múi và các mái khácợ ắ ữ L/150

Độ võng cho phép của cấu kiện chịu uốn

• Các bước tính toán:

• Có tải trọng q

• Có [f] = [ /L]

Tra biểu đồ của Leites để có L/t

 Hoặc dùng công thức gần đúng của Teloian:

1

1 4

1 15

1

o

c o

5 384

c o

∆ = ∆ ∆

+

2 2

EI H

l

=

2 2

8

1 1

– Chiều cao đường hàn góc

hf (chiều dài đơn vị) để đủ chịu lực kéo H:

R

=

1 Chi u dài d m ề ầ

2 Chi u cao d m ề ầ

3 Các đi u ki n c n ki m tra ề ệ ầ ể

II KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA DẦM

 Thiên về an toàn, lấy l = L

 Sàn thông thường, hay lấy l 18m

 Nhịp bé  Dầm Thép Hình

 Nhịp lớn  Dầm Tổ Hợp

1. Chi u dài d m ề ầ

 Điều kiện bền

 Ổn định cục bộ bản bụng và bản cánh

 Độ võng

 Ổn định tổng thể

 Điều kiện cấu tạo và khả thi khi thi công

3. Các đi u ki n c n ki m tra ề ệ ầ ể

c

M W

c f γ

=

• Tra bảng quy cách thép cán và chọn:

• Kiểm tra tiết diện dầm đã chọn

M

f W

1

c nx

Nếu bản bụng bị giảm yếu (BL)  ứng suất tiếp nhân thêm hệ

số =a(a-d), a là khoảng cách tâm hai lỗ, d là đường kính lỗ đinh

• Kiểm tra bản bụng dầm chịu ứng suất cục bộ

2. Ki m tra ti t di n d m theo c ể ế ệ ầ ườ ng đ ộ

r : bán kính cong chuyển tiếp từ bụng

sang cánh của tiết diện thép hình làm dầm

F : giá trị của tải trọng tập trung, phân bố trên chiều rộng b

lz: chiều dài phân bố quy đổi của tải trọng tập trung dọc theo mép trên của bản bụng, tại thớ trên của chiều cao tính

toán bản bụng (hw), cánh thớ trên của dầm đoạn hy

• Kiểm tra tiết diện dầm chịu đồng thời ứng suất pháp, ứng suất tiếp, ứng suất cục bộ:

2. Ki m tra ti t di n d m theo c ể ế ệ ầ ườ ng đ ộ

σ = σ + σ − σσ + τ γ

cùng 1 điểm ứng thớ trên của chiều cao tính toán bụng dầm

/l: độ võng tương đối của dầm (tải trọng tiêu chuẩn)

Dầm đơn giản nhịp l, chịu tải trọng tiêu chuẩn phân bố đều qc

[ /l]: tỷ số giữa độ võng giới hạn và nhịp dầm (tiêu chuẩn thiết kế

phụ thuộc cụ thể từng dầm, loại công trình)

3

5 384

c

q l

∆ =

Cho một hệ sàn dầm như hình vẽ có:

- B = 6m; L=12m;

- Hoạt tải tiêu chuẩn

qc=500 daN/m2, hệ số vượt tải 1,1

Thiết kế sàn thép và dầm phụ (dầm hình) biết độ võng cho phép của bản sàn là L/150 và của dầm phụ là L/350

• Dùng cho công trình chịu tải trọng lớn (q>20kN/m) hoặc nhịp lớn

• Gồm các bước:

1 Chọn tiết diện

2 Thay đổi tiết diện theo chiều dài

3 Kiểm tra các tiết diện theo điều kiện

bền, biến dạng, ổn định

4 Cấu tạo và tính toán các chi tiết

IV THIẾT KẾ DẦM TỔ HỢP

• Chiều cao hmin h hmax

• Chiều dày bản bụng tw

• bf, tf (dầm tổ hợp hàn); bd, td (dầm tổ hợp BL/đinh tán)

1. Ch n ti t di n d m ọ ế ệ ầ

5,5

E

Ch n b n cánh: ọ ả

• tf > tw  tiết diện làm việc hiệu quả, tf = 12 24mm

• tf 30mm  tránh ứng suất phụ khi hàn, cường độ tính toán tăng khi chiều dày giảm

• bf/tf (E/f)  ổn định cục bộ bản cánh nén

• bf 30tf  ứng suất pháp phân bố đều trên cánh kéo, ổn định cục bộ cho cánh nén

• bf = h/2 h/5; bf 180mm; bf h/10  ổn định tổng thể, dễ liên kết dầm với các cấu kiện khác

1. Ch n ti t di n d m ọ ế ệ ầ

 D m bulông/đinh tán ầ

• Chọn trước thép góc cánh dầm (nên chọn đều cạnh)

bg = h/12 h/9; tg = tw; tg = (bg/11 bg/10)

• Xác định tiết diện bản phủ

• I0g: Mômen quán tính của một thép góc

với trục trọng tâm của nó

• Chọn trước bd theo điều kiện: bd 2bg+tw

• Chọn td theo yêu cầu cấu tạo của phần đua ra của bản phủ:

 Khi dùng 1 bản phủ: a1 15td

 Khi dùng 2 bản phủ: a1 8td

tf2bg+tw

1. Ch n ti t di n d m ọ ế ệ ầ

• Kiểm tra độ bền:

• Kiểm tra theo đk bền chịu uốn ở nơi chỉ có M còn V=0:

• c1: hệ số kể đến sự phát triển biến dạng dẻo của thép

• Wnx: mômen kháng uốn của tiết diện thực đối với trục x-x

• Kiểm tra theo đk bền chịu cắt ở nơi chỉ có V, còn M=0:

• Sx: mômen tĩnh của phần tiết diện nguyên đối với trục x-x

VS

f I

2. Ki m tra ti t di n d m t  h p ể ế ệ ầ ổ ợ

• Kiểm tra các tiết diện chịu đồng thời M, V tại mép

cánh và bụng dầm:

• h0: chiều cao tính toán của bản bụng

• Sf: mômen tĩnh đ/v trục trung hoà:

f x

VS h

• Kiểm tra ứng suất cục bộ của bụng dầm khi có lực tập trung:

 Kiểm tra tiết diện dầm chịu đồng thời ứng suất pháp, ứng suất tiếp, ứng suất cục bộ:

• Kiểm tra độ cứng (độ võng):

• Nếu h hmin  không cần kiểm tra

• Nếu h < hmin

• Kiểm tra ổn định tổng thể

• N u m t trong các đi u ki n không tho  mãn  ế ộ ề ệ ả  ch n l i  ọ ạ

ti t di n và tính toán ki m tra l i nh  trên ế ệ ể ạ ư

2. Ki m tra ti t di n d m t  h p ể ế ệ ầ ổ ợ

l l

∆ � � ∆

� �

� �

TK dầm tổ hợp hàn chữ I, chịu tải trọng phân bố đều, nhịp dầm 12m, hai đầu liên kết khớp với gối tựa Mômen uốn và lực cắt tính toán lớn nhất M = 270000kN.cm, V = 92000daN

c=1, [ /l]=1/400, hmax không hạn chế Thép f=2150daN/cm2.

min

270.10

12558 21,5

mm

γ δ

Chọn hd=1200mm, hb=1160mm

Kiểm tra điều kiện bền chịu cắt của bản bụng dầm

Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng dầm

12558 1,15 129

1

yc kt

E

d b b

c c yc

c c

V THAY ĐỔI TIẾT DIỆN DẦM

• Giảm tiết diện dầm theo sự phân bố nội lực

 Tiết kiệm vật liệu

 Tăng chi phí chế tạo dầm

 Hiệu quả khi L 10m

• Giảm bf: thường áp dụng cho dầm hàn vì cấu tạo đơn giản

V THAY ĐỔI TIẾT DIỆN DẦM

• Cách 1: Dự tính vị trí giảm rồi tính bf1

• Dự tính vị trí giảm x1 (dầm đơn giản, tải phân bố đều thì vị trí cách gối tựa x1 = l/6 là kinh tế nhất)

• Khi mối nối cánh kéo dùng

+ đường hàn đối đầu xiên góc:

+ đường hàn đối đầu thẳng góc:

f, fwt: cường độ tính toán về kéo của thép cơ bản làm dầm và của đường hàn đối đầu nối cánh dầm

V THAY ĐỔI TIẾT DIỆN DẦM

1 1

W x x

wt

W x x

c

M

f γ

=

• Giữ nguyên hw, tw, tf và xác định bf theo Wx1 theo yêu cầu cấu tạo sau:

• bf1 180: dầm dễ liên kết với các dầm phụ bên trên

• bf1 bf/2: các đặc trưng chịu lực của tiết diện trước và sau khi đổi không bị chênh quá nhiều

• bf1 h/10: không làm giảm nhiều Iy, It và khả năng

chống oằn bên của dầm

V THAY ĐỔI TIẾT DIỆN DẦM

2 3

2 W

• Xác định khả năng chịu uốn của tiết diện:

• Mối nối cánh kéo dùng đường hàn đối đầu xiên góc:

• Mối nối cánh kéo dùng đường hàn đối đầu thẳng góc:

• Cân bằng mômen Mx = f(x1) với khả năng chịu uốn của tiết diện trên 

Nguyên nhân:

• Khi dầm chịu uốn, phần chịu nén của dầm làm việc tương tự như cột

chịu nén  bị mất ổn định nếu độ mảnh đủ lớn

• Tuy nhiên, khác với cột, phần chịu nén sẽ bị ràng buộc bởi phần chịu

kéo và do vậy độ võng ngang sẽ phát sinh kèm theo sự xoắn của dầm

VI ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ

Xác định 1:

• L0: chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng dầm

• h: chiều cao tiết diện dầm

• Ix, Iy: mômen quán tính đối với trục x-x, y-y

• : phụ thuộc (đk biên cánh nén, dạng tải trọng, )

=

• Đối với dầm tổ hợp hàn I:

• tw: chiều dày bản bụng

• bf, tf: chiều rộng và chiều dày bản cánh

• hfk: khoảng cách trọng tâm giữa 2 cánh

• Không cần kiểm tra ổn định tổng thể của dầm khi:

• Cánh chịu nén của dầm được liên kết chặt với sàn cứng

• Khi tỷ số L0/bf không vượt quá tỷ số giới hạn [L0/bf]

VI ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ

• Để tăng cường ổn định tổng thể:

• Tăng bf, giảm tf, giảm hfk Khi đó sẽ phải chọn lại tiết diện dầm

• Dùng hệ sàn cứng hoặc giằng ngang ở cánh nén:

• Dùng hệ giằng chống xoắn:

Cánh nén

VI ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ

1 Hi n t ệ ượ ng và nguyên nhân

2 Ổ n đ nh c c b  cánh ch u nén ị ụ ộ ị

3 Ổ n đ nh c c b  b n b ng d m ị ụ ộ ả ụ ầ

VII ỔN ĐỊNH CỤC BỘ

1. Hi n t ệ ượ ng và nguyên nhân

• Ứng suất tới hạn của bản mỏng theo lý thuyết đàn hồi:

• t, a - tiết diện bản

• C, k - phụ thuộc loại, kích thước, dạng ứng suất tác dụng vào ô bản

1. Hi n t ệ ượ ng và nguyên nhân

 Bản cánh nén tựa khớp trên bụng dầm, cạnh đối diện tự do:

2.  n đ nh c c b  b n cánh ch u nén Ổ ị ụ ộ ả ị

i. Do  ng s u t ti pứ ấ ế

a) Khi không có sườn gia cường

Bản bụng dài vô hạn và ngàm đàn hồi với hai cánh dầm

 Nếu dầm thoả

 không cần làm sườn ngang để gia cường bụng dầm

 Nếu không thoả điều kiện trên

 Gia cường bản bụng dầm bằng các sườn ngang,

 Thay đổi điều kiện tựa, loại ô bản,

 Giảm tỷ số cạnh dài/cạnh ngắn của ô bản nhằm tăng cr

3.  n đ nh c c b  b n b ng d m Ổ ị ụ ộ ả ụ ầ

λ � � � � λ

 Cấu tạo sườn ngang

oKhoảng cách 2 sườn:

• a 2hw khi w > 3,2

• a 2,5hw khi w 3,2

oChiều rộng sườn:

oChiều dày sườn:

oChiều cao đường hàn liên kết sườn hf,min = 5mm

3.  n đ nh c c b  b n b ng d m Ổ ị ụ ộ ả ụ ầ

w +40 30

b) Khi có s ườ n gia c ườ ng

• : tỷ số cạnh dài / cạnh ngắn ô bản (a/hw hoặc hw/a)

• : độ mảnh quy ước của ô bản

• d: cạnh ngắn hơn trong 2 cạnh của ô bản (a hoặc hw)

Nếu bố trí đôi sườn ngang có a = 2hw , =a/hw=2

Với cr = fv:

•Dầm không chịu lực tập trung:

•Có lực tập trung đặt trên cánh nén dầm

Nếu bố trí sườn ngang theo cấu tạo quy định

và  không kiểm tra ổn định cục bộ bản bụng

ii. D ướ i tác d ng c a  ng s u t pháp ụ ủ ứ ấ :

• Dầm tổ hợp hàn: bản cánh liên kết với bụng bằng các đường hàn

• Lực trượt T trên một đơn vị chiều dài dầm:

• V = Vmax

• Ix – mômen quán tính của tiết diện với trục x-x

• Sf – mômen tĩnh đ/v trục trung hòa của phần tiết diện bị trượt (tiết diện bản cánh dầm hàn)

• Lực trượt T do đường hàn góc chịu:

c

VS h

f

• Trường hợp có lực tập trung F (không có sườn gia cường tại đó):

Cấu tạo và tính toán mối nối dầm:

2. N i d m ố ầ

Phải nối dầm là do:

 Thép dùng làm dầm không đủ dài: mối nối nhà máy

 Dầm có trọng lượng hoặc chiều dài vượt quá khả năng của

các phương tiện vận chuyển, cẩu lắp (mối nối công trường)

• Nối hàn đối đầu:

• Khi hàn tay và dùng biện pháp thông thường kiểm tra: fwt=0,85f nối dầm ở những tiết diện có M 0,85Mmax

2. N i d m ố ầ

• Nếu muốn nối dầm bằng phương pháp hàn ở vị trí M>0,85Mmax, dùng giải pháp sau:

2. N i d m ố ầ

• Dùng bulông:

2. N i d m ố ầ

a) D m t a lên c t thép (các ví d  liên k t kh p)ầ ự ộ ụ ế ớ

3. G i d m ố ầ

3. G i d m ố ầ

=

• Kiểm tra sườn gối theo điều kiện bền về ổn định ngoài mặt phẳng bụng dầm: xem như một thanh quy ước chịu nén đúng tâm

• Liên kết: hai đầu khớp

• Kiểm tra ổn định sườn gối:

• iz: bán kính quán tính của tiết diện quy ước đ/v trục z, trùng với trục dọc của bản bụng dầm

• A = As + Aw1: tiết diện thanh quy ước

 As: diện tích chịu nén của sườn đầu dầm

 Aw1: phần diện tích bản bụng tham gia chịu lực với sườn đầu dầm: + Khi sườn bố trí ngay đầu dầm: Aw1=twc1

+ Khi sườn bố trí gần đầu dầm: Aw1=2twc1

b) D m t a lên t ầ ự ườ ng, c t b ng bêtông ho c g ch đá ộ ằ ặ ạ

3. G i d m ố ầ