Chương 3 - Dầm thép

* KẾT CẤU THÉP Chương 0 Tổng quan về Kết Cấu Thép Chương 1 Vật Liệu và Sự Làm Việc của KC Thép Chương 2 Liên Kết Kết Cấu Thép Chương 3 Dầm Thép Chương 4 Cột Thép Chương 5 Dàn Thép * KẾT CẤU THÉP Chương 3 - DẦM THÉP 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 NỘI DUNG Dầm thép Hệ dầm thép Bản sàn thép 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. Dầm thép 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. Dầm thép Hệ dầm đơn giản Hệ dầm phổ thông Hệ dầm phức tạp Hệ dầm đơn giản 2. Hệ dầm thép Hệ dầm phổ thông Hệ dầm phức tạp 2. Hệ dầm thép Liên kết dầm: Liên kết chồng Liên kết bằng mặt Liên kết thấp 2. Hệ dầm thép Liên kết giữa các dầm a) LK chồng; b) LK bằng mặt; c) LK thấp 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 Tính Toán bản sàn thép: Xác định chiều dày t của bản thép Nhịp bản sàn L Tính toán các dầm đỡ sàn Tính tổng lượng thép dùng 3. Bản sàn thép Tính toán bản sàn thép: Có tải trọng q Có [f] = [/L]  Chọn t  Chọn L  Tính liên kết 3. Bản sàn thép 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 3. Bản sàn thép Các bước tính toán: Từ tải trọng q, tra bảng để xác định t 2 Quan hệ giữa tải trọng tác dụng trên sàn và chiều dày bản sàn thép 3. Bản sàn thép Có L/t Có t  Xác định L 3 Các bước tính toán: Xác định độ võng do tải trọng tiêu chuẩn gây ra: 4 5 Xác định a (tỷ số giữa lực kéo H và lực tới hạn Ơle Ncr): 3. Bản sàn thép Các bước tính toán: Kiểm tra độ võng ở giữa nhịp do cả qc và H gây ra: 6 7 Xác định H (lực kéo tác dụng tại gối tựa bản): hoặc gQ – hệ số độ tin cậy của tải trọng (hệ số vượt tải) 3. Bản sàn thép Các bước tính toán: Mômen uốn lớn nhất ở giữa nhịp bản: 8 9 Kiểm tra bền: 3. Bản sàn thép Chiều cao đường hàn góc hf (chiều dài đơn vị) để đủ chịu lực kéo H: 10 Chiều dài dầm Chiều cao dầm Các điều kiện cần kiểm tra 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. Chiều dài dầm hmin  h  hmax hmin: chiều cao đảm bảo cho dầm đủ cứng, nghĩa là độ võng của dầm không vượt quá độ võng giới hạn. hmax: chiều cao lớn nhất có thể của dầm. h càng gần hkt càng tốt hkt: chiều cao tương ứng với lượng thép ít nhất 2. Chiều cao dầm * hmin : hmax: quy định trong nhiệm vụ thiết kế hkt : Có xét đến sự thay đổi tỷ số hw/tw Dầm hàn: k = 1,15 ÷ 1,20 Dầm BL, đinh tán: k = 1,20 ÷ 1,25 : độ mảnh bản bụng dầm Tỷ số chiều cao và chiều dày bản bụng thép 2. Chiều cao dầm 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 điều kiện cần kiểm tra Chọn tiết diện dầm hình Kiểm tra tiết diện dầm theo cường độ Kiểm tra độ cứng (độ võng) của dầm Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm hình III. THIẾT KẾ DẦM THÉP HÌNH Từ sơ đồ kết cấu dầm  M, Q Xác định mômen kháng uốn: c1 : kể đến biến dạng dẻo của thép c1 = 1: dầm làm việc đàn hồi 1. Chọn tiết diện dầm hình Tra bảng quy cách thép cán và chọn: Kiểm tra tiết diện dầm đã chọn Kiểm tra bền về uốn: hay Kiểm tra bền về cắt: 1. Chọn tiết diện dầm hình 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. Kiểm tra tiết diện dầm theo cường độ Dầm thép hình: tf : chiều dày bản cánh dầm r : bán kính cong chuyển tiếp từ bụng sang cánh F : 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 Dầm chính Dầm phụ Kiểm tra tiết diện dầm chịu đồng thời ứng suất pháp, ứng suất tiếp, ứng suất cục bộ: 2. Kiểm tra tiết diện dầm theo cường độ , , c: ứng suất tiếp, ứng suất pháp, ứng suất cục bộ ở cùng 1 điểm ứng thớ trên của chiều cao tính toán bụng dầm Kiểm tra độ võng: 3. Kiểm tra độ cứng (độ võng) 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) 4. Kiểm tra ổn định tổng thể dầm hình Ví dụ 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. Chọn tiết diện dầm a) Xác định tw tw  twmin hw  h hoặc hw  h–(3040)mm Với h = 12m, dùng công thức kinh nghiệm: Điều kiện ổn định bản bụng (không dùng sườn gia cường) 1. Chọn tiết diện dầm Xem bản bụng chịu Vmax b) Xác định kích thước cánh dầm Dầm hàn: bf, tf Đối với cánh dầm hàn: dựa trên điều kiện bền về uốn Ta lại có: 1. Chọn tiết diện dầm Chọn bản cánh: 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. Chọn tiết diện dầm Dầm bulông/đinh tán 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 Lấy hd=h-(1224)mm n1: số lượng bản phủ ở mỗi cánh dầm 1. Chọn tiết diện dầm 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 1. Chọn tiết diện dầm 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 2. Kiểm tra tiết diện dầm tổ hợp 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: 1 bản cánh dầm: dầm hàn 2 thép góc cánh và bản đậy: dầm tổ hợp BL/đinh tán 2. Kiểm tra tiết diện dầm tổ hợp 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: Dầm tổ hợp hàn: lz = b + 2tf Dầm tổ hợp đinh tán hoặc BL: lz = b + 2hy với hy = tđ + bg 2. Kiểm tra tiết diện dầm tổ hợp Kiểm tra độ cứng (độ võng): Nếu h  hmin  không cần kiểm tra Nếu h 0,85 : b = 0,68+0,211, nhưng không lớn hơn 1 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, ) : hệ số Đối với dầm thép hình I: It: mômen xoắn VI. ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ 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 a = 0,5hfk L0 của cánh chịu nén: khoảng cách giữa các điểm cố kết của cánh chịu nén không cho chuyển vị ngang VI. ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ 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: VI. ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ Hiện tượng và nguyên nhân Ổn định cục bộ cánh chịu nén Ổn định cục bộ bản bụng dầm VII. ỔN ĐỊNH CỤC BỘ 1. Hiện tượng và nguyên nhân Bản cánh nén Bản bụng chịu cắt, chịu nén Có thể bị vênh oằn từng phần ra ngoài mặt phẳng của nó Đặc trưng hình học tiết diện thay đổi 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. Hiện tượng và nguyên nhân Dầm định hình: chiều dày bản bụng và cánh vượt quá yêu cầu ổn định cục bộ  không cần kiểm tra Bản cánh nén tựa khớp trên bụng dầm, cạnh đối diện tự do: Điều kiện: 2. Ổn định cục bộ bản cánh chịu nén 2. Ổn định cục bộ bản cánh chịu nén i. Do ứng suất tiếp a) Khi không có sườn gia cường Bản bụng dài vô hạn và ngàm đàn hồi với hai cánh dầm Tải tĩnh: Tải động: 3. Ổn định cục bộ bản bụng 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. Ổn định cục bộ bản bụng dầm 3. Ổn định cục bộ bản bụng dầm Cấu tạo sườn ngang Khoảng cách 2 sườn: a  2hw khi w > 3,2 a  2,5hw khi w  3,2 Chiều rộng sườn: Chiều dày sườn: Chiều cao đường hàn liên kết sườn hf,min = 5mm 3. Ổn định cục bộ bản bụng dầm b) Khi có sườn gia cường : 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 3. Ổn định cục bộ bản bụng dầm 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 3. Ổn định cục bộ bản bụng dầm ii. Dưới tác dụng của ứng suất pháp: Ứng suất tới hạn: Ccrmin = 30, nếu cr = f   Khi hw/tw > [hw/tw v]  đặt cặp sườn dọc  kiểm tra từng ô bản bụng 3. Ổn định cục bộ bản bụng dầm Liên kết cánh dầm với bản bụng Nối dầm Gối dầm VIII. NỐI DẦM & GỐI DẦM Dầm tổ hợp hàn: bản cánh liên kết với bụng bằng các đường hàn góc Khi chịu lực, bản cánh có xu hướng trượt tương đối so với bản bụng  Đường hàn sẽ chịu lực trượt đó 1. Liên kết cánh dầm với bản bụng 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: 1. Liên kết cánh dầm với bản bụng Trường hợp có lực tập trung F (không có sườn gia cường tại đó): Dầm tổ hợp hàn: Lz = b + 2tf Dầm TH đinh tán hoặc bu lông : Lz = b + 2hy với hy = tđ + bg 1. Liên kết cánh dầm với bản bụng Cấu tạo và tính toán mối nối dầm: 2. Nối dầm 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 a) Dầm I b) Dầm C 2. Nối dầm Nếu muốn nối dầm bằng phương pháp hàn ở vị trí M>0,85Mmax, dùng giải pháp sau: a) Đối đầu + Ghép b) Ghép 2. Nối dầm Dùng bulông: 2. Nối dầm Dùng bulông: 2. Nối dầm a) Dầm tựa lên cột thép (các ví dụ liên kết khớp) 3. Gối dầm 3. Gối dầm Chọn ts  tw Kiểm tra ĐK ép mặt tiết diện ở mút dưới sườn gối: F: phản lực gối tựa fc: cường độ tính toán ép mặt tỳ đầu của thép 3. Gối dầm Kiểm tra sườn gối theo điều kiện bền về ổn định ngoài mặt phẳng bụng dầm: xem như thanh quy ước chịu nén đúng tâm Liên kết: hai đầu khớp Lực nén: phản lực gối tựa dầm F Chiều cao: hw Tiết diện thanh: gồm tiết diện sườn gối và một phần bản bụng dầm c1 3. Gối dầm Kiểm tra ổn định sườn gối: : hệ số uốn dọc 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 3. Gối dầm b) Dầm tựa lên tường, cột bằng bêtông hoặc gạch đá 3. Gối dầm