Mối nối dầm

Bài giảng Kết cấu thép theo 22TCN 272-05 và LRFD 1998 – tháng 7-2009 4*15*(180-40)=8400mm2 >7000mm2 Đạt Vậy chon STC gồm hai đôi 15mm x 180mm đặt hai bên vách .( Lưu ý rằng cắt vát 45o với 4tw một bên ngăn cản sự hình thành ứng suất kéo dọc gây bất lợi cho mối hàn ở chỗ tiếp giáp giữa vách đứng và bản biên). Sức kháng nén dọc trục : Đặt từng đôi STC cách nhau 200mm như trên hình 6.61 diện tích có hiệu của tiết diện ngang thanh nén là : A=4As +tw(18tw +200)=4*15*180+10*(180+200)=14600 mm2 Mô men quán tính : Ix = 4Io+4Aoy2 = 462 3 10*6.126)5 2 180(*180*15*4 12 180*154 mm=++ Bán kính quán tính rx của thanh STC : mm A Ir xx 9314600 10*6.126 6 === Do đó tỷ số độ mảnh : 1201.12 93 1500*75.075.0 <=== r D r kL Đạt Độ mảnh theo PT 4.12 ( chương 4) : 25.20185.0 200000 2501.12 22 <=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= ππλ E F r kL y Do vậy thanh nén thuộc loại cột dài trung gian , sức kháng nén được xác định bởi 4.14 ( ) NAFP syn 60185.0 10*622.3)14600)(250()66.0(66,0 === λ Sức kháng nén tính toán theo PT 8.24 với Φc=0.90 Pr = ΦcPn = 0.90*3.622*106 =3260*103 N =3260kN> 1750 kN Đạt 5.11 MỐI NỐI DẦM 5.11.1 Các loại mối nối dầm Do chiều dài cung cấp vật liệu có hạn,cánh và bụng ( bản biên ,vách đứng ) dầm có thể phải được nối từ hai hay nhiều hơn các bản thép . Các mối nối loại này thường được thực hiện trong xưởng hoặc nhà máy và được gọi là mối nối xưởng . Do điều kiện vận chuyển và cẩu lắp có hạn , dầm thường được chia thành vài đoạn .Các đoạn này có kích thước và trọng lượng phù hợp với điều kiện vận chuyển và cẩu lắp .Các đoạn đó được chế tạo trong xưởng sau đó vận chuyển tới công trường rồi nối chúng lại Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng Kết cấu thép theo 22TCN 272-05 và LRFD 1998 – tháng 7-2009 với nhau để được một dầm hoàn chỉnh .Các mối nối các đoạn dầm này lại với nhau được thực hiện tại công trường và gọi là mối nối công trường . Nguyên tắc bố trí mối nối : ƒ Mối nối phải được bố trí đối xứng qua mặt cắt giữa dầm ƒ Mối nối nên bố trí ở vị trí có nội lực nhỏ ƒ Vói các mối nối công trường không nên dùng nhiều, khi thiết kế cấu tạo cần phải tạo điều kiện thuận lợi cho việc thực hiện . mèi nèi dÇm mèi nèi dÇm (dμy 14mm) (dμy 14mm) TÊm 5 (dμy 14mm) TÊm 4 TÊm 5 (dμy 14mm) TÊm 3 (dμy 10mm) (dμy 14mm) TÊm 5 TÊm 4 (dμy 14mm) (dμy 14mm) TÊm 5 500 50 2@80 =160 80 502@80 =160 (dμy 14mm) TÊm 42@80 =160 2@80 =160 508050 500 75 95 0 75 50 10 @ 85 = 85 0 50 11 00 50 80 140 80 50 400 400 50801408050 75 95 0 75 50 10 @ 85 = 85 0 50 11 00 25 10 50 25 14 (dμy 10mm) TÊm 3 TÊm 4 Hình 5.35: Mối nối dầm 5.11.2 Mối nối công trường bằng bu lông Bước 1: Tiêu chuẩn thiết kế Bước 2: Lựa chọn mặt cắt dầm làm cơ sở cho việc thiết kế mối nối công trường Bước 3: Tính toán các lực thiết kế trong mối nối cánh Bước 4 : Thiết kế mối nối cánh dưới Bước 5: Thiết kế mối nối cánh trên Bước 6: Tính toán các lực thiết kế trong mối nối bản bụng Bước 7 : thiết kế mối nối bụng Bước 8 : Đưa ra bản vẽ chi tiết mối nối công trường Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng Kết cấu thép theo 22TCN 272-05 và LRFD 1998 – tháng 7-2009 Chọn vị trí mối nối công trường Vị trí mối nối thường nên tránh chỗ có mô men lớn. Đối với dầm giản đơn, ta thường bố trí cách gối một đoạn (1/4 ÷ 1/3)L và đối xứng với nhau qua mặt cắt giữa dầm. Mối nối công trường bằng bung lông CĐC của dầm chữ I tổ hợp hàn có dạng điển hình như sau: Từ hình vẽ ta thấy mối nối gồm hai phần: + Mối nối bản cánh làm việc giống như mối nối đối đầu hai bản thép chịu lực dọc trục; + Mối nối bản bụng làm việc giống như mối mối đối đầu hai bản thép chịu tác dụng đồng thời của mômen, lực cắt và lực dọc. Do vậy, việc đầu tiên là ta phải xác định được các lực thiết kế cho mối nối bản cánh và mối nối bản bụng. 1/ Thiết kế mối nối cánh \1.1/ Tính toán các lực thiết kế trong mối nối cánh Ở trạng thái giới hạn cường độ, các bản nối và các mối nối trên cánh khống chế ( kiểm soát – Controling) phải cân xứng để cung cấp một sức kháng nhỏ nhất lấy theo ứng suất thiết kế Fcf nhân với diện tích tiết diện cánh có hiệu nhỏ hơn, Ae, trên cả hai phía của mối nối , ở đây Fcf lấy như sau: yf yf cf F0,752 F F f f h cf R f αϕ αϕ ≥⎥ ⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ + = Trong đó: fcf = ứng suất uốn lớn nhất do tải trọng có hệ số gây tại điểm giữa bản cánh kiểm soát, tại mối nối ; Rh – Hệ số lai; α- Hệ số giảm ứng suất cánh, α=1.0 ϕf = Hệ số kháng uốn theo quy định; (A6.5.4.2) Fyf- Cường độ kéo chảy của thép bản cánh Ae – Diện tích có hiệu của bản cánh (mm 2), đối với cánh nén Ae là diện tích tiết diện nguyên, đối với cánh kéo Ae lấy như sau: gn yty uu e AAF FA ≤⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= φ φ Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng Kết cấu thép theo 22TCN 272-05 và LRFD 1998 – tháng 7-2009 φu Hệ số sức kháng kéo đứt của cấu kiện chịu kéo (A 6.5.4.2) φy Hệ số sức kháng kéo chảy của cấu kiện chịu kéo (A 6.5.4.2) Fu Cường độ chịu kéo đứt của thép cánh kéo Fyt Cường độ chịu kéo chảy của thép cánh kéo An Diện tích thực của cánh kéo Ag Diện tích nguyên của cánh kéo Các bản nối và các mối nối của bản cánh không kiểm soát ( Noncontrolling flange)của TTGHCĐ phải cân xứng để cung cấp một sức kháng nhỏ nhất lấy theo ứng suất thiết kế Fncf nhân với diện tích hữu hiệu nhỏ hơn, Ae, trên cả hai phía của mối nối . Fncf được xác định theo công thức sau: yffnct F0,75F αϕ≥= h ncf cf R f R Trong đó: Rcf Giá trị của tỷ số Fcf và fcf đối với cánh kiểm soát . fncf - ứng suất uốn do tải trọng có hệ số gây ra tại điểm giữa bản cánh tại vị trí mối nối ; + Tại trạng thái giới hạn cường độ, lực thiết kế trong các bản nối ( bản ghép ) chịu kéo sẽ không vượt quá sức kháng kéo có hệ số như tính với cấu kiện chịu kéo. Lực thiết kế trong các bản nối chịu nén sẽ không vượt quá sức kháng nén có hệ số,Rr và được lấy như sau: sycr AFR φ= Trong đó : φc Hệ số sức kháng nén của cấu kiện chịu nén (A 6.5.4.2) Fy Cường độ chảy của bản nối ( Mpa) Ay Diện tích nguyên của bản nối ( mm2) 1.2. Chọn kích thước mối nối Mối nối được thiết kế theo phương pháp thử - sai, tức là ta lần lượt chọn kích thước mối nối dựa vào kinh nghiệm và các quy định khống chế của tiêu chuẩn thiết kế, rồi kiểm toán lại, nếu không đạt thì ta phải chọn lại và kiểm toán lại. Quá trình được lặp lại cho đến khi thoả mãn. Ta sơ bộ chọn kích thước mối nối như sau: Hình vẽ: Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng Kết cấu thép theo 22TCN 272-05 và LRFD 1998 – tháng 7-2009 Các thông số mối nối: + Kích thước bản nối ngoài; + Kích thước bản nối trong; + Đường kính bu lông CĐC; + Lỗ bu lông CĐC sử dụng lỗ tiêu chuẩn; + Số bu lông CĐC một bên mối nối. 1.3. Kiểm toán khoảng cách của các bu lông CĐC (A6.13.2.6) 1.4. Kiểm toán sức kháng cắt của bu lông CĐC Xác định sức kháng cắt danh định của bu lông CĐC theo quy định, ta được Rn (A6.13.2.7) Sức kháng cắt tính toán của bu lông CĐC ở THGHCĐ được xác định như sau: Rr1 = ϕsRn Trong đó: ϕs = Hệ số sức kháng cho bu lông A325M (A490M) chịu cắt theo quy định; (A6.5.4.2) Số bu lông CĐC cần thiết cho mỗi bên mối nối theo sức kháng cắt được xác định như sau: r1 bot 1 R PN = Trong đó: Pbot = Lực thiết nhỏ nhất trong bản cánh dưới ở TTGHCĐ (N). 1.5. Kiểm toán sức kháng ép mặt của bu lông CĐC Xác định sức kháng ép mặt danh định của bu lông CĐC theo quy định, ta được Rn (A6.13.2.9) Sức kháng ép mặt tính toán của bu lông CĐC ở THGHCĐ được xác định như sau: Rr2 = ϕbbRn Trong đó: ϕbb = Hệ số sức kháng ép mặt bu lông trên vật liệu theo quy định; (A6.5.4.2) Số bu lông CĐC cần thiết cho mỗi bên mối nối theo sức kháng ép mặt được xác định như sau: r2 bot 2 R PN = Trong đó: Pbot = Lực thiết nhỏ nhất trong bản cánh dưới ở TTGHCĐI (N). Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng Kết cấu thép theo 22TCN 272-05 và LRFD 1998 – tháng 7-2009 1.6. Kiểm toán sức kháng trượt của bu lông CĐC Xác định sức kháng trượt danh định của bu lông CĐC theo quy định, ta được Rn (A6.13.2.8) Sức kháng trượt tính toán của bu lông CĐC ở THGHSD được xác định như sau: Rr = Rn Số bu lông CĐC cần thiết cho mỗi bên mối nối theo sức kháng trượt được xác định như sau: r bot 3 R PN = Trong đó: Pbot = Lực thiết kế trong bản cánh dưới ở TTGHSD (N). Số bu lông cần thiết cho mỗi bên mối nối được xác định như sau: N = max(N1, N2, N3) 2/ Thiết kế mối nối bụng 2.1. Chọn kích thước mối nối Mối nối được thiết kế theo phương pháp thử - sai, tức là ta lần lượt chọn kích thước mối nối theo kinh nghiệm, rồi kiểm toán lại, nếu không đạt thì ta phải chọn lại và kiểm toán lại. Quá trình được lặp lại cho đến khi thoả mãn. Ta sơ bộ chọn kích thước mối nối như sau: Hình vẽ Các thông số mối nối: + Kích thước bản nối; + Đường kính bu lông CĐC; + Lỗ bu lông CĐC: Sử dụng lỗ tiêu chuẩn; + Số bu lông CĐC một bên mối nối. 2.2. Tính toán lực cắt thiết kế nhỏ nhất Lực cắt thiết kế nhỏ nhất ở TTGHCĐI được xác định theo công thức sau: ( ) rru 0,75V2 VVV ≥+= Trong đó: Vu = Lực cắt có hệ số tác dụng lên dầm tại vị trí mối nối ở THTTCĐI (N); Vr = Sức kháng cắt tính toán của dầm tại vị trí mối nối (N). Lực cắt thiết kế nhỏ nhất ở TTGHSD được xác định theo công thức sau: V = VuSD Trong đó: Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng Kết cấu thép theo 22TCN 272-05 và LRFD 1998 – tháng 7-2009 Vu = Lực cắt có hệ số tác dụng lên dầm tại vị trí mối nối ở THTTSD (N). 2.3. Tính toán mô men và lực ngang thiết kế nhỏ nhất Mô men thiết kế nhỏ nhất ở TTGHCĐI được xác định theo công thức sau: M = Mv + Mw Trong đó: Mv = Mô men do lực cắt thiết kế tại vị trí mối nối ở TTGHCĐI tác dụng lệch tâm với trọng tâm nhóm đinh ở mỗi bên mối nối gây ra: Mv = V.e Trong đó: V = Lực cắt thiết kế nhỏ nhất tại vị trí mối nối ở TTGHCĐI (N); e = Độ lệch tâm của nhóm đinh ở mỗi bên mối nối, lấy bằng khoảng cách từ trọng tâm của nhóm đinh mỗi bên mối nối tới tim mối nối (mm); Mw = Phần mô men tác dụng lên phần bản bụng, do mô men uốn tại vị trí mối nối ở TTGHCĐI gây ra: ( )ctoptbot2ww FF12DtM += Trong đó: Ftbot, Fctop = ứng suất thiết kế nhỏ nhất tại trọng tâm bản cánh dưới, cánh trên ở TTGHCĐI (N/mm2). Lực ngang thiết kế nhỏ nhất ở TTGHCĐI được xác định theo công thức sau: ( )ctoptbotw FF2DtH −= Trong đó: Ftbot, Fctop = ứng suất thiết kế nhỏ nhất tại trọng tâm bản cánh dưới, cánh trên ở TTGHCĐI (N/mm2). Mô men thiết kế nhỏ nhất ở TTGHSD được xác định theo công thức sau: M = Mv + Mw Trong đó: Mv = Mô men do lực cắt thiết kế tại vị trí mối nối ở TTGHSD tác dụng lệch tâm với trọng tâm nhóm đinh ở mỗi bên mối nối gây ra: Mv = V.e Trong đó: V = Lực cắt thiết kế nhỏ nhất tại vị trí mối nối ở TTGHSD (N); Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng Kết cấu thép theo 22TCN 272-05 và LRFD 1998 – tháng 7-2009 e = Độ lệch tâm của nhóm đinh ở mỗi bên mối nối, lấy bằng khoảng cách từ trọng tâm của nhóm đinh mỗi bên mối nối tới tim mối nối (mm); Mw = Phần mô men bản bụng chịu, do mô men uốn tại vị trí mối nối ở TTGHSD gây ra: ( )ctoptbot2ww FF12DtM += Trong đó: Ftbot, Fctop = ứng suất thiết kế nhỏ nhất tại trọng tâm bản cánh dưới, cánh trên ở TTGHSD (N/mm2). Lực ngang thiết kế nhỏ nhất ở TTGHSD được xác định theo công thức sau: ( )ctoptbotw FF2DtH −= Trong đó: Ftbot, Fctop = ứng suất thiết kế nhỏ nhất tại trọng tâm bản cánh dưới, cánh trên ở TTGHSD (N/mm2). 2.4. Kiểm toán khoảng cách của các bu lông CĐC (A6.13.2.6) Tương tự như trên 2.5. Lực cắt tính toán trong một bu lông CĐC Ta chỉ tính toán với bu lông CĐC ở vị trí xa nhất so với trọng tâm của nhóm bu lông ở mỗi bên mối nối, là bu lông chịu lực cắt lớn nhất. Lực cắt tính toán trong bu lông ở vị trí xa nhất được xác định như sau: Hình vẽ 2 max 2 max max J My N H J Mx N VR ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ++⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += Trong đó: N = Số bu lông ở mỗi bên mối nối (bu lông); V = Lực cắt thiết kế (N); M = Mô men thiết kế (N.mm); H = Lực ngang thiết kế (N); J = Tổng bình phương khoảng cách của các đinh trong nhóm ở mỗi bên mối nối tới trọng tâm của nhóm đinh (mm2); J = Jx + Jy = ( )∑ += 22 ii yxJ Jx = Tổng bình phương khoảng cách đứng của các đinh trong nhóm ở mỗi bên mối nối tới trọng tâm của nhóm đinh (mm2); Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng Kết cấu thép theo 22TCN 272-05 và LRFD 1998 – tháng 7-2009 Jy= Tổng bình phương khoảng cách ngang của các đinh trong nhóm ở mỗi bên mối nối tới trọng tâm của nhóm đinh (mm2); xmax = Khoảng cách từ đinh xa nhất theo phương ngang tới trọng tâm của nhóm đinh mỗi bên mối nối (mm); ymax = Khoảng cách từ đinh xa nhất theo phương đứng tới trọng tâm của nhóm đinh mỗi bên mối nối (mm). 2.6. Kiểm toán sức kháng cắt của bu lông CĐC Xác định sức kháng cắt danh định của bu lông CĐC theo quy định, ta được Rn (A6.13.2.7) Sức kháng cắt tính toán của bu lông CĐC ở THGHCĐ được xác định như sau: Rr = ϕsRn Trong đó: ϕs = Hệ số sức kháng cho bu lông A325M (A490M) chịu cắt theo quy định; (A6.5.4.2) Sức kháng cắt tính toán của bu lông CĐC ở THGHCĐI phải thoả mãn điều kiện sau: Rmax ≤ Rr Trong đó: Rmax = Lực cắt tính toán trong bu lông ở vị trí xa nhất ở TTGHCĐI (N). 2.7. Kiểm toán sức kháng ép mặt của bu lông CĐC Xác định sức kháng ép mặt danh định của bu lông CĐC theo quy định, ta được Rn (A6.13.2.9) Sức kháng ép mặt tính toán của bu lông CĐC ở THGHCĐ được xác định như sau: Rr = ϕbbRn Trong đó: ϕbb = Hệ số sức kháng ép mặt bu lông trên vật liệu theo quy định; (A6.5.4.2) Sức kháng ép mặt tính toán của bu lông CĐC ở THGHCĐI phải thoả mãn điều kiện sau: Rmax ≤ Rr Trong đó: Rmax = Lực cắt tính toán trong bu lông ở vị trí xa nhất ở TTGHCĐI (N). 2.8. Kiểm toán sức kháng trượt của bu lông CĐC Xác định sức kháng trượt danh định của bu lông CĐC theo quy định, ta được Rn (A6.13.2.8) Sức kháng trượt tính toán của bu lông CĐC ở THGHSD được xác định như sau: Rr = Rn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - Bài giảng Kết cấu thép theo 22TCN 272-05 và LRFD 1998 – tháng 7-2009 Sức kháng trượt tính toán của bu lông CĐC ở THGHSD phải thoả mãn điều kiện sau: Rmax ≤ Rr Trong đó: Rmax = Lực cắt tính toán trong bu lông ở vị trí xa nhất ở TTGHSD (N). 6 Tài liệu tham khảo [1] LRFD Steel Design. William T. Segui, 2003 [2] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 [3] Giáo trình Kết cấu thép. Nguyễn Quốc Thái, 1979 [4] Design of highway bridges. Richard M. Barker; Jay A. Puckett. NXB Wiley Interscience, 1997 [5] Structural Steel Design: LRFD Method. Jack C. McCormac; James K. Nelson, Jr., 2003 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version -