MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Qua việc nghiên cứu cải tiến một sản phẩm làm tăng giá trị sử dụng và tính năng hiệu quả, có thể đưa vào ứng dụng thực tế trong các phòng thí nghiệm kết cấu, để đánh
TỔNG QUAN
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật là yếu tố quyết định cho sự ra đời của các thành tựu khoa học, tạo động lực phát triển cho tất cả các lĩnhvực, đặc biệt là sự bùng nổ mạnh mẽ trong lĩnh vực xây dựng Nhu cầu về xây dựng nhà cao tầng và siêu cao tầng ngày càng nhiều, nhất là tại các khu đô thị lớn như Hà Nội và Thành Phố Hồ Chí Minh
Việc chỉ dùng giải pháp bêtông cốt thép thông thường cho các tòa nhà cao tầng có thể dẫn tới kích thước cấu kiện lớn, nặng nề, chiếm dụng không gian và làm giảm thẩm mỹ công trình; giải pháp kết cấu thép–bê tông cốt thép tích hợp mang lại ưu điểm vượt trội về đặc trưng cơ lý của bê tông để tạo cấu kiện chịu lực, độ tin cậy cao và khả năng chống cháy được cải thiện, đồng thời đáp ứng công năng sử dụng, hiệu quả kinh tế và tính thẩm mỹ cho công trình Để đáp ứng nhu cầu xây dựng lớn đòi hỏi có các máy móc thí nghiệm xác định chính xác tính chất cơ lý của bê tông cốt thép, chuẩn đoán nhanh và chính xác biến dạng của dầm bê tông khi chịu uốn, từ đó đánh giá điều kiện làm việc và khả năng chịu lực của cấu kiện một cách đáng tin cậy Do đó, việc ứng dụng thiết bị máy móc tiên tiến vào các ngành là chuyện tất yếu, nhưng còn phụ thuộc nhiều yếu tố khách quan và thay đổi toàn bộ hệ thống máy móc thiết bị sẽ tốn chi phí cho nhiều phòng thí nghiệm vật liệu xây dựng trên cả nước Chính vì thế, bài toán cải tiến dựa trên những gì đang có cũng là giải pháp mang lại lợi nhuận và thúc đẩy sự phát triển trong xu thế hội nhập hiện nay Nhằm đáp ứng nhu cầu lớn trong các thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý và độ võng của dầm bê tông cốt thép khi chịu uốn, đặc biệt đối với các dầm có chiều dài trên 1m, dựa trên thiết bị uốn-nén bê tông sẵn có, tác giả đề xuất thiết kế, chế tạo một dầm thép phục vụ thí nghiệm uốn dầm bê tông cốt thép áp dụng cho các dầm có chiều dài lớn hơn 1m nhằm giảm chi phí mua sắm mới của khoa XD&CHUD và tăng cường công năng sử dụng của máy nén uốn bê tông.
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DẦM THÉP PHỤC VỤ THÍ NGHIỆM UỐN DẦM BÊTÔNG CỐT THÉP TRÊN MÁY NÉN UỐN BÊTÔNG "
1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Việc nghiên cứu cải tiến một sản phẩm nhằm tăng giá trị sử dụng và hiệu quả vận hành có thể được áp dụng trực tiếp trong các phòng thí nghiệm kết cấu để đánh giá chính xác khả năng chịu lực của các cấu kiện Kết quả từ nghiên cứu này giúp nâng cao hiệu quả công tác tính toán và thiết kế dầm bê tông cốt thép, tối ưu hoá các phương án chịu lực và tăng cường độ tin cậy của các mô hình thiết kế Việc ứng dụng trong thực tế cho phép đo lường, phân tích và kiểm tra khả năng chịu lực một cách đáng tin cậy, từ đó cải thiện quy trình thiết kế, tính toán và nghiệm thu cấu kiện trong công trình.
Phương pháp tiếp cận tập trung vào nghiên cứu các thí nghiệm uốn dầm bêtông cốt thép được thực hiện trên máy nén uốn bêtông để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của dầm chữ I Qua phân tích kết quả thí nghiệm, chúng tôi rút ra mối quan hệ giữa tiết diện dầm chữ I và hiệu suất chịu uốn, từ đó đề xuất các giải pháp thiết kế tối ưu Mục tiêu là tối ưu hóa tiết diện để dầm chữ I chịu uốn tốt nhất, đồng thời tiết kiệm vật liệu và tối ưu chi phí thi công Quy trình nghiên cứu gồm thiết kế thí nghiệm, đo mô-men và độ võng, và so sánh các thiết kế khác nhau dựa trên tiêu chí hiệu suất và an toàn Kết quả hướng tới các giải pháp thiết kế dầm chữ I bằng bêtông cốt thép có tiết diện tối ưu, đáp ứng yêu cầu chịu lực và tối ưu hóa chi phí xây dựng.
- Phương pháp nghiên cứu: Tác giả sử dụng phương pháp phân tích tài liệu nhằm:
Xác định cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế dầm chữ I chịu uốn
Phân tích các catalog các máy nén uốn bêtông có mặt trên thị trườngViệt Nam
Phân tích tài liệu kỹ thuật của các hãng sản xuất thiết bị để xác định các đặc trưng cơ tính của từng dầm chữ I chịu uốn
Trong bài toán tối ưu hóa tiết diện, cần nghiên cứu kỹ yêu cầu và đặc điểm của từng loại tải để thiết lập hàm mục tiêu chính xác Việc hiểu rõ cách mỗi loại tải tác động lên cấu kiện cho phép định hình hàm mục tiêu phản ánh đúng phân bổ lực, biên độ và trạng thái ứng suất, từ đó xác định tiết diện tối ưu Mỗi loại tải có đặc trưng riêng về phạm vi tác động, phổ ứng suất và mức biến thiên, vì vậy phân tích và so sánh chúng giúp đưa ra tiêu chí tối ưu hóa phù hợp như đảm bảo an toàn, tối ưu trọng lượng và chi phí, hoặc tối ưu hiệu suất làm việc Quá trình này gồm xác định yêu cầu thiết kế, phân tích đặc điểm tải, thiết lập hàm mục tiêu và vận dụng các phương pháp tối ưu hóa để chọn tiết diện phù hợp với điều kiện làm việc.
- Tổng hợp, tham khảo tài liệu, viết cơ sở lý thuyết về biến dạng ở dầm chữ I bằng thép
- Thiết lập bài toán tối ưu hóa tiết diện trên dầm thép chữ I
- Mô phỏng kích thước dầm chữ I dưới tác dụng của tải trọng uốn
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp tiếp cận của nghiên cứu tập trung vào phân tích các thí nghiệm uốn dầm bê tông cốt thép được thực hiện trên máy nén uốn bê tông nhằm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn và từ đó đề xuất các giải pháp thiết kế dầm chữ I chịu uốn với tiết diện tối ưu Việc tận dụng kết quả thí nghiệm giúp xác định hình học tiết diện, thông số vật liệu và cấu trúc dầm chữ I để tối ưu hiệu suất chịu lực và tiết kiệm vật liệu Các giải pháp thiết kế dầm chữ I được định hình dựa trên dữ liệu thực nghiệm, đảm bảo an toàn, hiệu quả và phù hợp với các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành, đồng thời tối ưu hóa chi phí thi công và vận hành kết cấu.
- Phương pháp nghiên cứu: Tác giả sử dụng phương pháp phân tích tài liệu nhằm:
Xác định cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế dầm chữ I chịu uốn
Phân tích các catalog các máy nén uốn bêtông có mặt trên thị trườngViệt Nam
Phân tích tài liệu kỹ thuật của các hãng sản xuất thiết bị để xác định các đặc trưng cơ tính của từng dầm chữ I chịu uốn
Để tối ưu hóa tiết diện, cần phân tích yêu cầu và đặc điểm của từng loại tải và thiết lập đúng hàm mục tiêu cho bài toán tối ưu hóa Việc hiểu rõ tải trọng và điều kiện làm việc sẽ giúp xác định tham số và ràng buộc của hàm mục tiêu, từ đó định hình phương án tối ưu hóa tiết diện phù hợp Bài toán tối ưu hóa tiết diện sẽ tập trung vào các mục tiêu như tối ưu khối lượng, độ bền và chi phí vật liệu, đồng thời đảm bảo an toàn và đáp ứng giới hạn chịu lực Trên cơ sở phân tích các loại tải và đặc điểm của chúng, ta có thể lựa chọn tiết diện phù hợp nhất, cân bằng giữa hiệu suất và tối ưu hóa tài nguyên vật liệu.
Nội dung nghiên cứu
- Tổng hợp, tham khảo tài liệu, viết cơ sở lý thuyết về biến dạng ở dầm chữ I bằng thép
- Thiết lập bài toán tối ưu hóa tiết diện trên dầm thép chữ I
- Mô phỏng kích thước dầm chữ I dưới tác dụng của tải trọng uốn
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TIẾT DIỆN DẦM CHỮ I
Phân tích dạng kết cấu
Dầm là cấu kiện chịu uốn có bản bụng đặc, là cấu kiện chịu uốn cơ bản trong xây dựng và công nghiệp Dầm có cấu tạo đơn giản, ít phân tố, dễ gia công, chế tạo và dễ lắp ráp Dầm được dùng làm sàn nhà, dầm cầu và kết cấu chịu lực của các loại máy vận chuyển Mỗi loại dầm đều có đặc điểm sử dụng riêng; việc chọn loại phù hợp phải dựa vào đặc điểm làm việc của nó và dựa trên cơ sở so sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật Ví dụ, uốn ngang thì nên chọn dầm tiết diện đối xứng, uốn xiên thì nên chọn dầm có tiết diện không đối xứng.
2.2.2 Đặc điểm sử dụng các loại dầm:
- Dầm đơn giản, dễ chế tạo và lắp ráp nhưng không tiết kiệm vật liệu bằng dầm liên tục
- Dầm liên tục tiết kiệm vật liệu nhưng lắp ráp phức tạp
- Dầm thép hình dễ gia công nhưng bị hạn chế về chủng loại và không tiết kiệm kim loại bằng dầm tổ hợp
- Dầm tổ hợp tiết kiệm vật liệu, dễ làm, phù hợp với trạng thái chịu lực
Dầm tổ hợp bulông cho phép tháo rời các chi tiết nên dễ thay đổi số lượng bản đậy và thuận lợi cho sửa chữa Tuy vậy, thiết kế này thường cồng kềnh và chế tạo phức tạp, dẫn đến chi phí sản xuất cao Việc đánh đổi giữa tính linh hoạt cho bảo trì và yêu cầu về kích thước, chi phí cũng như độ phức tạp của quá trình gia công cần được cân nhắc khi chọn giải pháp dầm bulông cho từng ứng dụng.
- Dầm rỗng tiết kiệm vật liệu nhưng chế tạo phức tạp và dễ biếng dạng khi chịu lực
- Dầm có tiết diện không đối xứng chịu uốn xiên tốt
Dựa vào tính năng của máy nén uốn bêtông của Matest có model C092-01, khung thử uốn chỉ uốn được những mẫu bêtông có kích thước 100x150x600mm, muốn cải tiến để uốn được những mẫu bêtông có kích thước chiều dài khoảng 1,2 m, ta thiết kế, chế tạo thêm thanh uốn là dầm chữ I dài khoảng 1,2m, chịu được tải trọng lớn nhất là 150kN Căn cứ vào các đặc điểm sử dụng các loại dầm, tác giả quyết định chọn loại dầm tổ hợp hàn, cho phép đảm bảo cường độ, độ cứng và độ ổn định Để tăng cường khả năng chịu lực, ta gia cường thêm các gân tăng cứng
Dầm tổ hợp hàn chữ I là cấu kiện thép được cấu tạo từ ba bản thép ghép lại bằng đường hàn góc: hai bản nằm ngang đóng vai cánh dầm và bản thẳng đứng làm bụng dầm, giúp tối ưu khả năng chịu lực uốn và biến dạng.
So với dầm đinh tán, ít tốn vật liệu và nhẹ hơn, chi phí cấu tạo ít hơn vì vậy chúng được sử dụng niều hơn
Kết cấu hàn là sự tổ hợp của nhiều chi tiết với chức năng và điều kiện làm việc khác nhau, do đó việc lựa chọn vật liệu chế tạo cơ bản phải căn cứ vào yêu cầu kỹ thuật của từng chi tiết để đảm bảo sự phù hợp giữa đặc tính vật liệu và ứng dụng Cần cân bằng giữa chất lượng, năng suất và giá thành để đạt được hiệu quả sản xuất và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của kết cấu Nói cách khác, vật liệu phải đáp ứng đồng thời hai tiêu chí kinh tế và kỹ thuật.
Dù các chi tiết có kích thước và hình dạng khác nhau, chúng được chế tạo từ vật liệu kim loại thanh thép và trải qua quá trình gia công cơ khí trước khi được hàn lại thành một sản phẩm hoàn chỉnh Quá trình gia công cơ khí đảm bảo độ chính xác và bền bỉ cho từng chi tiết, trong khi công đoạn hàn liên kết các bộ phận lại với nhau tạo nên khung cấu trúc chắc chắn, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và mục tiêu sử dụng của sản phẩm cuối cùng.
“Kết cấu cầu dẫn” Là kết cấu tấm được chết tạo sao cho đảm bảo chỉ tiêu về cơ tính , độ tin cậy cao khi làm việc
Vì vậy để vừa đảm bảo độ bền và khả năng hàn với mức giá phù hợp, ta chọn thép CT38 (TCVN 1695-75), tương đương với thép CT3 (ГОСТ 380-71 của Nga) Loại thép này được sử dụng phổ biến trên thị trường nên mang lại lợi thế về kinh tế đồng thời vẫn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật của kết cấu khi vận hành.
- Thép CT38 là loại thép cacbon chất lượng thường Là loại thép mềm dẻo, độ cứng thấp , hiệu quả tôi và ram không cao Được dùng để chế tạo các chi tiết trong kết cấu nhưng qua gia công nóng Do đó nó tính hàn tốt Khi hàn không cần phải dùng các công nghệ đặc biệt
- Thành phần hoá học của thép CT38 theo bảng (1-III) trang 219 sách (HDTKĐA)
Bảng 1: Thành phần hóa học của thép CT38:
Bảng 2: Cơ tính của thép CT38:
Kí hiệu mác thép Độ bền k (N/mm 2 )
Chọn vật liệu là thép CT38 có :
2.2.4 Tính toán và chọn tiết diện dầm:
Dầm là loại cấu kiện cơ bản chịu uốn lớn nhất ở giữa dầm và chịu cắt lớn nhất ở đầu dầm, ngoài ra dầm còn có thể chịu momen xoắn Do dầm có nhịp l=1,2 m nên ta chọn dầm là dầm chữ I tổ hợp hàn vì nó có khả năng chống uốn và khả năng chống xoắn tương đối tốt Chọn vật liệu chế tạo dầm là thép CT38
- Chọn hệ số an toàn n=1.4
- Sơ lược tải trọng tác dụng lên dầm:
- Tải trọng lớn nhất tác dụng lên dầm: 150 kN ≈ 15290,5 kg
- Hệ số tin cậy của tải trọng: γ p = 1
2.2.4.1 Xác định chiều cao của dầm:
Chiều cao tiết diện dầm là thông số cơ bản khi thiết kế dầm chiều cao tiết diện vừa phải bảo đảm yêu cầu sử dụng, vừa phải đủ cứng để không võng quá độ võng giới hạn, nhưng cao độ mặt trên, mặt dưới lại không bị khống chế bởi yêu cầu công nghệ, đồng thời thỏa mãn về yêu cầu kinh tế
Chiều cao của dầm tổ hợp xác định từ ba điều kiện:
- Chiều cao so với khung uốn
- Giải pháp kinh tế (ít tốn vật liệu, ít tốn công chế tạo)
Gọi h là chiều cao tiết diện dầm, cần chọn h thỏa mãn điều kiện sau: h = ( 10
Ta chọn h = 120 mm và tiến hành xác định chiều cao kinh tế cho dầm đơn giản Đối với dầm chịu tải phân bố dọc theo chiều dài dầm, độ võng tương đối lớn nhất được xác định theo công thức, từ đó đánh giá và tối ưu chiều cao h nhằm cân bằng giữa chi phí vật liệu và hiệu quả chịu lực.
Trong đó: qn là tải trọng tiêu chuẩn phân bố đều trên dầm; q n =g n +p n g n ,p n :tĩnh tải và hoạt tải tiêu chuẩn phân bố đều trên dầm
E : Mođun đàn hồi của dầm
L: Chiều dài của dầm f: cường độ tính toán chịu uốn của thép dầm
I: Mômen quán tính của dầm đối với trục chính x-x
Ở đây: M: momen uốn tính toán của dầm; M=Mn.n tb
M n : momen uốn tiêu chuẩn của dầm;
2 n n n tb : hệ số vượt tải trung bình: p g,
:hệ số vượt tải của tĩnh tải và hoạt tải tiêu chuẩn;
10 ; fL n h n b Xác định chiều cao tối thiểu
Vì t w rất nhỏ so vớih, do đó, coi h h w h f , mômen kháng uốn của dầm được xác định: w w w w w w w
A w : diện tích tiết diện bản bụng dầm;
A f : diện tích tiết diện bản cánh dầm; h 0
Bảng 3: Giá trị hệ số k:
Hệ số k khi tiết diện dầm
Khi chiều cao dầm thay đổi ±20% so với hkt thì diện tích tiết diện dầm A chỉ tăng lên 3–4% Do đó chọn chiều cao dầm giảm đi 20–25% sẽ mang lại lợi ích về chế tạo và giảm được chiều cao khung máy.
Vậy chiều cao dầm được xác định trong khoảng : t k W
2.2.4.2 Xác định bề dày bản bụng dầm
Bảng 4: Kích thước bản bụng dầm có thể lấy theo:
T w (mm) 6÷8 8÷12 12÷16 14÷18 16÷20 18÷22 ≥22 Ứng suất tiếp của dầm được xác định theo công thức: h f
Do đó, ta chọn bề dày bản bụng dầm là 13mm
2.2.4.3 Xác định kích thước cánh dầm
Momen quán tính của tiết diện hai cánh dầm đối với trục trung hòa được xác định:
Sau khi xác định diện tích tiết diện của cánh dầm, ta chọn chiều rộng và bề dày bản cánh từ các điều kiện đảm bảo ổn định cục bộ, ổn định tổng thể và các yêu cầu về cấu tạo khác Để đảm bảo ổn định tổng thể, thiết kế thường dựa trên các giới hạn chịu lực và tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan, đồng thời tối ưu hóa kích thước để cân bằng khả năng chịu uốn, chịu lực và thi công.
- theo điều kiện vận chuyển, lắp đặt
- theo điều kiện chịu lực cắt của bản bụng dầm
- theo thực nghiệm khi h=1÷2m -khi không dùng sườn gia cường
- Để đảm bảo ổn định cục bộ của bản cánh dầm: f f (30t f f t E 5 , 0 b đối với thép cacbon thấp);
Bề dày bản cánh f f f b t A ; thông thường ta lấy t w ≤ t f ≤ 3t w
2.2.4.3 Thay đổi tiết diện dầm
Tiết diện dầm được xác định theo momen lớn nhất Mmax và có thể giảm tiết diện ở vùng có momen nhỏ, đặc biệt đối với dầm đơn giản gần gối tựa Việc giảm tiết diện sẽ giúp tiết kiệm kim loại, tối ưu hóa chi phí sản xuất và duy trì hiệu quả kết cấu.
Có thể thay đổi tiết diện dầm bằng các cách như sau:
- Giảm chiều rộng cánh dầm:
- Giảm chiều cao dầm ở gần gối tựa
- Giảm bề dày cánh dầm
Có hai cách xác định vị trí thay đổi tiết diện dầm:
Trong đó: f: cường độ tính toán chịu uốn của thép dầm;
M 1 : momen uốn tại vị trí cách gối tựa một khoảng x1:
I 1 : momen quán tính của tiết diện dầm
Cân bằng hai biểu thức, ta được:
Ta tính W 1 và giải phương trình qx 1 2 qLx 1 2W 1 f 0, ta sẽ tìm được vị trí x 1
Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện bền
2.3.1 Kiểm tra bền tại vị trí có momen uốn lớn nhất
Ở những vị trí có momen uốn lớn nhất trên dầm, chẳng hạn như tại hai đầu mút hoặc nơi chịu tải tập trung ở giữa, độ bền uốn của dầm được kiểm tra bằng một công thức tính toán đặc thù Việc xác định momen uốn cực đại tại các điểm này cho phép đánh giá khả năng chịu tải và độ bền của kết cấu một cách chính xác, từ đó tối ưu hóa thiết kế dầm và vật liệu Các tham số chủ chốt bao gồm mô men uốn cực đại M, mô đun đàn hồi E và mô men quán tính I của tiết diện, cùng với đặc tính vật liệu, để cho ra giới hạn chịu lực phù hợp với tải trọng tập trung ở giữa.
2.3.2 Kiểm tra bền tại vị trí có lực cắt lớn nhất
Ở vị trí có lực cắt lớn nhất, chẳng hạn tại khu vực gối tựa của dầm đơn giản chịu tải tập trung, độ bền chịu cắt của bản bụng dầm được đánh giá Việc đánh giá này dựa trên một công thức chuẩn nhằm xác định khả năng chịu cắt của cấu kiện dưới tác động của tải trọng.
2.3.3 Kiểm tra bền tại vị trí có momen uốn và lực cắt tác dụng đồng thời tương đối lớn
Ở những vị trí momen uốn và lực cắt tác dụng đồng thời ở mức tương đối lớn, ví dụ tại gối tựa ở giữa dầm, độ bền của dầm được kiểm tra bằng phương pháp ứng suất tương đương Phương pháp này kết hợp các thành phần ứng suất do momen uốn và lực cắt thành một đại lượng duy nhất để so sánh với giới hạn bền của vật liệu, từ đó đánh giá khả năng chịu tải của dầm và đảm bảo an toàn kết cấu Trong thiết kế và kiểm tra kết cấu, ứng suất tương đương được ký hiệu là c và được dùng làm thước đo để quyết định xem dầm có đáp ứng được yêu cầu về độ bền hay không.
τ biểu thị ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại vị trí tiếp giáp giữa bản bụng với cánh của dầm hàn chịu nén; f là cường độ chịu uốn của thép dầm, được dùng làm tham số chủ đạo trong tính toán thiết kế và đánh giá độ bền của kết cấu thép.
c- hệ số điều kiện làm việc của dầm
2.3.4 Kiểm tra bản bụng dầm theo khả năng chịu ứng suất cục bộ
Khi trên cánh dầm có tải trọng tập trung tác dụng trong mặt phẳng bản bụng mà bên dưới không có sườn tăng cứng, ta phải kiểm tra độ bền nén cục bộ của mép trên bản bụng…., đồng thời, cần kiểm tra ứng suất tương đương tại vị trí có ứng suất cục bộ bằng công thức: c
Kiểm tra độ võng của dầm
Khi lấy h ≥ hmin thì không cần kiểm tra độ võng, trái lại, cần kiểm tra độ võng của dầm theo công thức (*)
Kiểm tra ổn định tổng thể
Đối với dầm thép tổ hợp hàn, ổn định tổng thể được đánh giá dựa trên các điều kiện tương tự như ở thép hình, nhưng khác biệt ở chỗ hệ số υ_d được xác định theo công thức sau:
Trong đó, hệ số υ1 được xác định theo công thức 2 0,680,21 1
Khi υ 1 >0,85υ d , ta có thể xác định theo bảng:
Bảng 5: Xác định hệ số υ υ 2 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,20 1,30 1,40 1,55 υd 0,871 0,890 0,904 0,916 0,927 0,948 0,964 0,980 1,00
2.5 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH CỤC BỘ BẢN DẦM
Mất ổn định cục bộ của bản bụng dầm thể hiện ở việc có các vùng phình ra hoặc lõm vào so với mặt phẳng chuẩn Hiện tượng này có thể xảy ra ngay cả khi mất ổn định tổng thể chưa xảy ra và chưa bị phá hoại bền dưới tác dụng của các loại ứng suất, gồm ứng suất pháp σ, ứng suất tiếp τ và ứng suất cục bộ cùng với sự tương tác giữa chúng.
Mất ổn định cục bộ của bản bụng dầm được tính bằng công thức:
2.5.1 Xác định thành phần ứng suất pháp và ứng suất tiếp của dầm h h W y M I
I x - mômen quán tính của dầm đối với trục x-x y - khoảng cách tử biên trên của chiều cao tính toán của bản bụng dầm đến trục trung hòa
Momen uốn M và lực cắt V được xác định như sau:
- Nếu chiều dài của ô nhỏ hơn hoặc bằng chiều cao tính toán của nó (a ≤ h w ) thì M, V lấy tại tiết diện giữa ô
- Nếu a > h w thì M, V lấy tại tiết diện giữa phần ô bản có ứng suất lớn hơn và có chiều dài bằng hw
- Nếu trong phạm vi ô kiểm tra có M và V đổi dấu thì giá trị trung bình của chúng lấy trên phần ô có giá trị tuyệt đối của nội lực lớn
2.5.2 Xác định ứng suất cục bộ Ứng suất cục bộ σ c trong bản bụng do tải trọng tập trung được tính theo công thức (3.15)
Nếu trong ô có tải trọng tập trung đặt ở cánh chịu kéo thì chỉ kiểm tra do tác dụng đồng thời của hai thành phần ứng suất σ, τ hoặc σ c và τ
2.5.3 Xác định ứng suất pháp và ứng suất cục bộ tới hạn
Hình dạng của tấm vẫn được giữ ổn định cho đến khi lực nén chưa đạt tới giá trị tới hạn N cr
N kTrong đó: k 1- hệ số phụ thuộc vào dạng liên kết bản cánh với bản bụng dầm, vùng phân bố ứng suất và tỷ lệ cạnh ô bản;
D- độ cứng của bản thép,
d- chiều rộng tính toán của ô bản
Với ob là độ mảnh của ô bản, w ob t
ob- độ mảnh quy ước của ô bản
ν- hệ số possion của thép, ν = 0,3;
w- độ mảnh quy ước của bản bụng dầm, với d = h w
a- độ mãnh quy ước của nữa ô bản, với d = a/2
Hệ số ccr được lấy từ bảng tra dành cho dầm tổ hợp hàn C–Cr và phụ thuộc vào tham số δ, đại diện cho mức độ ngàm đàn hồi giữa bản cánh và bản bụng dầm.
Với β là hệ số điều kiện làm việc của cánh nén; β = 0,8 Ứng suất cục bộ tới hạn c , cr được xác định:
a độ mảnh quy ước của ô bản, với d = a
2.5.4 Xác định ứng suất tiếp tới hạn Ứng suất tiếp tới hạn τcr được xác định theo công thức:
2.6 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH CỤC BỘ BẢN CÁNH DẦM
Thay d = b 0 và t w =t f vào công thức, ta được:
\Trong dầm, tỷ số giữa chiều rộng tính toán và chiều dày bản cánh b 0 /t f không đước lớn hơn giá trị [b 0 /t f ] giới hạn được cho ở bảng D19
2.7 TĂNG CƯỜNG SƯỜNG CỨNG CHO DẦM Để đảm bảo ổn định cục bộ, bản bụng của dầm tổ hợp phải được tăng cường bằng các sườn ngang
Từ CT () với a = 2hw và cho τ cr = f v , chúng ta có:
Từ CT () với a = 2h w và cho τ cr → f v, ta có:
Từ công thức () với c cr = c cr,min 0 và cho c cr ≈ f, chúng ta có
Do dầm chịu tải trọng tĩnh, nên ta lấy độ mãnh quy ước của bản bụng dầm
Các sườn ngang cách nhau một khoảng a ≤2h w
Nếu chỉ tăng cường bản bụng bằng sườn cứng ngang thì kích thước cùa chúng lấy như sau:
2 8 CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN CÁC CHI TIẾT DẦM
2.8.1 Liên kết bản cánh với bản bụng dầm
Khi chịu uốn giữa bản cánh và bản bụng dầm bị liên kết cản trở gây ra ứng suất tiếp và dẫn tới lực trượt T Khảo sát liên kết trên một đơn vị dài với hệ số điều kiện làm việc γ_c = 1 cho phép xác định lực trượt T dựa trên đặc tính liên kết và trạng thái làm việc của cấu kiện Lực trượt T được tính từ các tham số liên quan đến γ_c và đặc điểm liên kết, giúp đánh giá khả năng chịu tải và ảnh hưởng của liên kết giữa bản cánh và bản bụng dầm lên độ bền của toàn hệ.
T v w Ở trường hợp tổng quát dầm có cả lực nén cục bộ ở cánh trên: z
Vậy nội lực tính toán N tại vị trí khảo sát là:
2.8.2 Tính toán liên kết bản cánh với bản bụng đối với dầm liên kết hàn
Theo CT () với chiều dài đường hàn bằng một đơn vị và γ c = 1chúng ta có ứng suất đường hàn góc chịu cắt quy ước:
- khi bố trí cặp sườn đối xứng hai bên dầm
- khi bố trí một cặp sườn đối xứng ở một bên dầm
Vậy chiều cao đường hàn giữa bản cánh và bản bụng (hàn cả hai bên cánh) là
N k Ở đây, N xác định theo CT
2.9 XÂY DỰNG QUY TRÌNH HÀN
Độ bền của kết cấu phụ thuộc vào độ bền của liên kết hàn, vì vậy việc chọn đúng kiểu mối hàn, phương pháp hàn và quy trình công nghệ hàn sẽ tác động trực tiếp đến tuổi thọ của kết cấu Việc tối ưu hóa các yếu tố này—loại mối hàn phù hợp, công nghệ hàn hiệu quả và quy trình thi công chuẩn—giúp tăng khả năng chịu tải, đảm bảo sự ổn định và kéo dài tuổi thọ của cấu trúc trong quá trình vận hành.
Hàn kết cấu phải được tiến hành theo đúng Quy trình công nghệ đã được phê duyệt, trong đó quy định cụ thể:
- Phương pháp hàn và chế độ hàn
- Các thiết bị, dụng cụ hàn, các vật liệu hàn được phép sử dụng
- Trình tự gá lắp và hàn đính
- Trình tự thực hiện các mối hàn trong kết cấu
- Các khâu kiểm tra, giám sát trong quá trình chế tạo
2.9.1 Phương pháp hàn và chế độ hàn:
- Khi thực hiện hàn dầm chữ I và dầm hộp, ta chọn phương pháp hàn là phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc vì những lý do sau :
- Phương pháp hàn này đảm bảo kích thước hàn và thành phần hóa học đồng đều trên suốt chiều dài dầm
- Nhiệt lượng hồ quang tập trung và nhiệt độ rất cao cho phép hàn với tốc độ lớn
- Chất lượng mối hàn cao, kim loại mối hàn đồng nhất về thành phần hóa học
- Mối hàn có hình dạng tốt, đều đặn, ít bị các khuyết tật như không ngấu, rỗ khí, nứt và bắn tóe
- Giảm tiêu hao kim loại điện cực và điện năng
- Biến dạng của liên kết sau khi hàn nhỏ
- Điều kiện làm việc của thợ hàn tốt, ít phát sinh khí độc so với hàn hồ quang tay
- Tự động hóa quá trình hàn
2.9.1.2 Chế độ hàn: a Chọn tiết diện mối hàn:
- Mối hàn được sử dụng ở đây, chủ yếu là mối hàn góc Ta chon chiều cao mối hàn bằng chiều dày tấm mỏng nhất trong liên kết hàn
- Với dầm chữ I (gồm dầm dọc nhịp và gối đỡ), ta chọn a =1mm
Cạnh mối hàn góc dầm chữ I: KI = 1 = 1,414 (mm) chọn K I = 1,4 (mm) b Chế độ mối hàn góc:
Khi hàn dưới lớp thuốc, có thể dùng dòng một chiều (cực dương hoặc cực âm) hoặc dòng xoay chiều Hàn với cực dương (ngược cực) cho độ ngấu lớn nhất; độ ngấu thấp nhất khi hàn với cực âm (thuận cực) và ở mức trung bình khi hàn bằng dòng xoay chiều.
- Theo 592_TCN280-01, hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc dùng nguồn điện một chiều đấu nghịch cực (cực dương ở mỏ hàn)
Trong quá trình hàn tự động dưới lớp thuốc, các chi tiết có đường kính nhỏ hơn 50 mm không thể hàn đắp, do đó ta chọn chế độ hàn một lớp cho liên kết hàn dầm chữ I nhằm đảm bảo chất lượng mối hàn và tối ưu hiệu suất liên kết.
- Chế độ mối hàn góc bao gồm: dòng điện hàn, điện thế hàn, tốc độ hàn, các biện pháp gia nhiệt
- Theo Sổ tay công nghệ hàn (ĐHBKHN – 1997) ta có chế độ hàn tự động dưới lớp thuốc mối hàn góc:
Bảng 6: Chế độ hàn tự động dưới lớp thuốc bằng dòng một chiều:
(mm) Đường kính dây (mm)
Cường độ dòng điện hàn
1 3 500-525 30-32 45-47 c Kiểm tra bền cho mối hàn
Mối hàn dầm dọc nhịp chịu ứng suất do mô-men uốn sinh ra, và giá trị ứng suất trên mối hàn bằng với ứng suất trên tiết diện dầm chữ I, ở mức 1706 kg/cm^2.
Trong mối hàn này, không xét đến ứng suất liên quan đến tải trọng, vì nó chỉ có tác dụng liên kết các bản bụng và cánh dầm với nhau và không đảm nhận chức năng chịu tải Do đó, mối hàn chỉ bị phá hủy khi toàn bộ kết cấu bị phá hủy.
Chính vì vậy cần quan tâm đến ứng suất tiếp τ
Vị trí mối hàn dầm dọc nhịp (chữ I)
- Ứng suất trong mối hàn sinh ra do lực cắt: τ = V C *S x
I x * a Với: a = 1 (mm); V z = 8215 kg; S x = 753mm 3 ; I x = 29470mm 4 ;
Vậy mối hàn đảm bảo điều kiện bền
2.9.1.3 Quy trình hàn nối dầm a Nối bản cánh
Chọn phương pháp hàn: Chọn phương pháp hàn hồ quang tay
Với chiều dày hai bản cánh = 14 mm Nên ta phải vát mép chi tiết với các thông số và hình dạng như hình vẽ
Vật liệu hàn ở đây là que hàn Ta chọn que hàn theo tiêu chuẩn AWS E7016 với các thành phần hóa học:
Bảng 7: Thành phần hóa học của que hàn:
Xác định các thông số của chế độ hàn
Số lớp hàn tính theo công thức
Trong đó: Fđ là diện tích tiết diện ngang của toàn bộ kim loại đắp
- F 1 diện tích tiết diện ngang kim loại đắp lần 1
- F n là diện tích tiết diện ngang của kim loại đắp lớp tiếp theo
Nhãn hiệu thép Thành phần hoá học
Chọn d 1 = 3,2 mm.Suy ra: F 1 = (6 - 8).3,2= (19,2 – 25,6) mm 2
Với d2 = 4 mm Suy ra: F 2 = (8 - 12).4 = (32 - 48) mm 2
Chế độ hàn lớp 2 và 3:
- Ta có bảng chế độ hàn nối dầm
Bảng 8: Chế độ hàn nối dầm:
Lớp: n d (mm) I (A) U (V) V (cm/s) Dòng điện
1 3.2 96 - 160 16 - 28 0.136 – 0.159 Một chiều cực thuận 2 3 4 120 - 200 16 – 28 0.172 – 0.201 b Nối bản bụng
Tính toán tương tự như trên ta có bảng chế độ hàn nối bản bụng dầm dọc
Bảng 9: Chế độ hàn nối bản bụng dầm dọc
Lớp: n d (mm) I (A) U (V) V (cm/s) Dòng điện
1, Phần mối hàn dọc theo chiều dài gối đỡ
- Ứng suất do mômen uốn sinh ra trên mối hàn có giá trị bằng ứng suất sinh ra trên tiết diện dầm chữ
Trong phân tích kết cấu, ta bỏ qua ứng suất pháp tại mối hàn vì mối hàn này chỉ có chức năng liên kết các bản bụng và cánh dầm với nhau và không tham gia chịu tải Do đó, mối hàn chỉ bị phá hủy khi toàn bộ kết cấu bị phá hủy.
- Chính vì vậy cần quan tâm đến ứng suất tiếp τ
Vị trí mối hàn dầm dọc nhịp (chữ I)
- Ứng suất trong mối hàn sinh ra do lực cắt: τ = V C *S x
- Tại tiết diện đầu dầm:
Có: a = 1 mm; V z =V max =0,16451 kg; S x = 208 mm 3 ; I x = 3640 mm 4
3640*2*1 = 470 kg/mm 2 τ