TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
KHOA XÂY DỰNG BÀI GIẢNG MÔN HỌC KẾT CẤU THÉP P2 Mã số: XD 33.3
Chủ biên:
PGS.TS. Nguyễn Hồng Sơn
Thành viên tham gia: Ths. Vũ Quang Duẩn
Ths. Mai Trọng Nghĩa
Ths. Nguyễn Thanh Tùng
HÀ NỘI, THÁNG 6 NĂM 2016
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
KHOA XÂY DỰNG BÀI GIẢNG MÔN HỌC KẾT CẤU THÉP P2 Mã số: XD 33.3
Chủ biên:
PGS.TS. Nguyễn Hồng Sơn
Thành viên tham gia: Ths. Vũ Quang Duẩn
Ths. Mai Trọng Nghĩa
Ths. Nguyễn Thanh Tùng
Hà Nội, ngày tháng năm 2016
Hà Nội, ngày tháng năm 2016
2
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
CHỦ BIÊN
MỤC LỤC
3
BÀI 1. ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG THÉP ......................... 13
1.1. Đặc điểm chung ........................................................................................ 13
1.2. Các yêu cầu khi thiết kế khung ngang ................................................... 14
1.2.1. Yêu cầu về sử dụng ..................................................................... 14
1.2.2. Yêu cầu về kinh tế ....................................................................... 14
1.3. Một số hình ảnh về khung thép nhà công nghiệp ................................. 15
1.3.1. Hình ảnh cấu tạo chung của nhà công nghiệp ............................. 15
1.3.2. Hình ảnh cấu tạo chi tiết của nhà công nghiệp ............................ 15
BÀI 2. CẤU TẠO NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG ...................................... 17
2.1. Các bộ phận chính của kết cấu nhà công nghiệp một tầng .................. 17
2.2. Bố trí hệ lưới cột ....................................................................................... 17
2.3. Kích thước khung ngang ......................................................................... 18
2.3.1. Sơ đồ khung ngang ...................................................................... 18
2.3.2. Kích thước chính của khung một nhịp ........................................ 21
2.4. Hệ giằng khung nhà công nghiệp ........................................................... 23
2.4.1. Hệ giằng mái ............................................................................... 23
2.4.2. Hệ giằng cột................................................................................. 26
2.4.3. Đặc điểm tính toán hệ giằng (tự đọc tài liệu) .............................. 26
BÀI 3. TÍNH TOÁN KHUNG NGANG ................................................................ 28
3.1. Sơ đồ tính khung ...................................................................................... 28
3.2. Tải trọng tác dụng lên khung ngang ...................................................... 29
3.2.1. Tải trọng thường xuyên ............................................................... 29
3.2.2. Tải trọng cầu trục ........................................................................ 31
3.2.3. Tải trọng tạm thời trên mái .......................................................... 33
3.2.4. Tải trọng gió ................................................................................ 33
3.3. Tính nội lực khung và tổ hợp nội lực ..................................................... 34
3.3.1. Tính nội lực khung ...................................................................... 34
3.3.2. Tổ hợp nội lực ............................................................................. 35
3.3.3. Các trường hợp chất tải khung - ví dụ minh họa ......................... 36
3.4. Kiểm tra sơ bộ chuyển vị khung ngang ................................................. 37
3.4.1. Chuyển vị ngang ở đỉnh cột ........................................................ 38
4
3.4.2. Chuyển vị đứng ở đỉnh khung (xem xét trong trường hợp có
yêu cầu) ........................................................................................... 38
3.5. Sự làm việc không gian của nhà (tự đọc tài liệu) .................................. 39
3.5.1. Ảnh hưởng của hệ giằng dọc ....................................................... 39
3.5.2. Ảnh hưởng của mái cứng ............................................................ 39
BÀI 4. THIẾT KẾ CẤU KIỆN VÀ CHI TIẾT LIÊN KẾT ................................ 41
4.1. Cấu tạo và tính toán cột ........................................................................... 41
4.1.1. Chiều dài tính toán cột ................................................................ 41
4.1.2. Chọn và kiểm tra tiết diện cột đặc ............................................... 43
4.1.3. Kiểm tra ổn định tổng thể cột tiết diện vát (tham khảo) ............. 48
4.2. Cấu tạo và tính toán xà ............................................................................ 50
4.2.1. Chọn tiết diện .............................................................................. 50
4.2.2. Kiểm tra tiết diện ......................................................................... 51
4.2.3. Kiểm tra ổn định tổng thể xà ngang tiết diện vát ........................ 51
4.3. Cấu tạo và tính toán vai cột ..................................................................... 52
4.3.1. Vai cột có cột dưới tiết diện đặc .................................................. 52
4.3.2. Vai cột có cột dưới tiết diện rỗng (tự đọc tài liệu) ...................... 55
4.4. Cấu tạo và tính toán chân cột ................................................................. 56
4.4.1. Tính toán bản đế .......................................................................... 56
4.4.2. Tính toán dầm đế ......................................................................... 60
4.4.3. Tính toán sườn A và sườn B ....................................................... 60
4.4.4. Tính toán bulông neo ................................................................... 61
4.4.5. Tính toán đường hàn liên kết cột vào bản đế .............................. 62
4.5. Cấu tạo và tính toán chi tiết liên kết cột với xà ngang .......................... 63
4.5.1. Tính toán bu lông liên kết ........................................................... 64
4.5.2. Tính toán mặt bích ....................................................................... 65
4.5.3. Chiều dày bản bụng cột tại chỗ liên kết ...................................... 66
4.5.4. Tính toán đường hàn liên kết cột và xà ngang với mặt bích ....... 66
4.6. Cấu tạo và tính toán chi tiết liên kết nối xà với xà (ở nhịp) ................. 66
4.7. Cấu tạo và tính toán chi tiết liên kết đỉnh xà ......................................... 68
4.7.1. Tính toán bu lông liên kết ........................................................... 68
4.7.2. Chiều dày của mặt bích ............................................................... 69
4.7.3. Chiều dài và chiều cao các đường hàn ........................................ 69
5
4.8. Sơ đồ khối tính toán khung ngang .......................................................... 70
BÀI 5. KẾT CẤU MÁI ............................................................................................ 71
5.1. Cấu tạo mái ............................................................................................... 71
5.1.1. Mái có xà gồ ................................................................................ 71
5.1.2. Mái không xà gồ (tự đọc tài liệu) ................................................ 72
5.2. Cấu tạo và tính toán xà gồ ....................................................................... 73
5.2.1. Xà gồ tiết diện đặc ....................................................................... 73
5.2.2. Xà gồ tiết diện rỗng (tự đọc tài liệu) ........................................... 79
BÀI 6. KẾT CẤU ĐỠ CẦU TRỤC ........................................................................ 81
6.1. Kết cấu đỡ cầu trục .................................................................................. 81
6.1.1. Các bộ phận kết cấu đỡ cầu trục .................................................. 81
6.1.2. Tải trọng tác dụng........................................................................ 83
6.2. Dầm cầu trục tiết diện đặc ...................................................................... 84
6.2.1. Cấu tạo tiết diện ........................................................................... 84
6.2.2. Tính toán nội lực trong dầm ........................................................ 86
6.2.3. Chọn tiết diện dầm ...................................................................... 87
6.2.4. Kiểm tra tiết diện dầm về độ bền ................................................ 90
6.2.5. Kiểm tra bền mỏi ......................................................................... 93
6.2.6. Kiểm tra võng .............................................................................. 94
6.2.7. Kiểm tra ổn định tổng thể và ổn định cục bộ .............................. 95
6.2.8. Liên kết bản cánh và bản bụng .................................................... 95
6.2.9. Kiểm tra độ bền và bền mỏi với các trường hợp đặc biệt khác ... 96
6.3. Các loại dầm cầu trục khác (tự đọc tài liệu) .......................................... 97
6.3.1. Giàn cầu trục ............................................................................... 97
6.3.2. Dầm cầu trục công xơn ............................................................... 99
6.3.3. Dầm cầu trục treo ........................................................................ 99
6.4. Các chi tiết liên kết dầm cầu trục ......................................................... 103
6.4.1. Gối dầm cầu trục ....................................................................... 103
6.4.2. Ray cầu trục và cách liên kết ..................................................... 105
6.4.3. Gối chắn cầu trục ....................................................................... 105
BÀI 7. HỆ SƯỜN TƯỜNG ................................................................................... 107
7.1. Tác dụng và phân loại ............................................................................ 107
6
7.1.1. Tác dụng .................................................................................... 107
7.1.2. Phân loại .................................................................................... 107
7.2. Bố trí hệ sườn tường .............................................................................. 107
7.2.1. Hệ sườn tường dọc nhà ............................................................. 107
7.2.2. Hệ sườn tường ngang nhà ......................................................... 108
7.3. Tính toán hệ sườn tường ....................................................................... 108
7.3.1. Tính toán dầm tường ................................................................. 108
7.3.2. Tính toán cột sườn tường .......................................................... 110
VÍ DỤ TÍNH TOÁN CHƯƠNG 1 ........................................................................ 112
BÀI 8. PHẠM VI SỬ DỤNG VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU NHÀ NHỊP
LỚN ................................................................................................... 131
8.1. Khái niệm và phạm vi sử dụng ............................................................. 131
8.2. Các đặc điểm của kết cấu nhà nhịp lớn ............................................... 131
8.3. Phân loại kết cấu nhà nhịp lớn ............................................................. 131
8.3.1. Kết cấu phẳng chịu lực .............................................................. 131
8.3.2. Kết cấu không gian chịu lực ...................................................... 131
8.3.3. Kết cấu mái treo chịu lực .......................................................... 132
BÀI 9. NHÀ NHỊP LỚN VỚI KẾT CẤU PHẲNG CHỊU LỰC ....................... 133
9.1. Kết cấu kiểu dầm, giàn .......................................................................... 133
9.1.1. Hình dạng giàn .......................................................................... 133
9.1.2. Hệ thanh bụng ........................................................................... 134
9.1.3. Kết cấu dầm giàn ....................................................................... 134
9.2. Kết cấu khung ......................................................................................... 136
9.2.1. Các loại khung ........................................................................... 136
9.2.2. Đặc điểm tính toán và cấu tạo ................................................... 137
9.3. Kết cấu vòm ............................................................................................ 138
9.3.1. Các kiểu vòm ............................................................................. 138
9.3.2. Đặc điểm cấu tạo và tính toán ................................................... 139
9.3.3. Khớp chân vòm ......................................................................... 142
9.3.4. Khớp đỉnh vòm .......................................................................... 144
BÀI 10. KẾT CẤU MÁI KHÔNG GIAN NHÀ NHỊP LỚN ............................. 145
10.1. Khái niệm ......................................................................................... 145
10.2. Hệ thanh thanh không gian phẳng ................................................. 145
7
10.2.1. Cấu tạo ..................................................................................... 145
10.2.2. Tính toán .................................................................................. 149
10.3. Hệ thanh không gian dạng vỏ ......................................................... 150
10.3.1. Cấu tạo ..................................................................................... 150
10.3.2. Tính toán .................................................................................. 151
10.4. Kết cấu mái Cupon (tự đọc sách) ................................................... 151
10.4.1. Cupôn sườn ............................................................................. 152
10.4.2. Cupôn sườn vòng .................................................................... 156
10.4.3. Cupôn lưới ............................................................................... 157
BÀI 11. HỆ MÁI TREO ........................................................................................ 158
11.1. Giới thiệu chung ............................................................................... 158
11.1.1. Ưu điểm ................................................................................... 158
11.1.2. Nhược điểm ............................................................................. 158
11.2. Kết cấu mái dây một lớp ................................................................. 158
11.2.1. Hệ một lớp dây mềm ............................................................... 158
11.2.2. Hệ một lớp dây cứng ............................................................... 162
11.3. Kết cấu mái dây hai lớp .................................................................. 163
11.4. Kết cấu giàn dây (tự đọc sách) ....................................................... 164
11.5. Kết cấu mái dây hình yên ngựa (tự đọc sách) ............................... 165
11.6. Kết cấu hỗn hợp dây và thanh (tự đọc sách) ................................. 165
11.7. Mái treo vỏ mỏng (tự đọc sách) ...................................................... 166
VÍ DỤ TÍNH TOÁN CHƯƠNG 2 ........................................................................ 168
MẪU PHIẾU TRẢ LỜI TRẮC NGHIỆM .......................................................... 169
MẪU CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM ....................................................................... 170
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 171
PHẦN MỞ ĐẦU
8
Môn học Kết cấu thép - Phần 2 dành cho đối tượng là sinh viên ngành Kỹ thuật
công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp. Tiếp nối bài giảng học phần Kết cấu
thép - Phần 1 về các cấu kiện cơ bản, bài giảng Kết cấu thép – Phần 2 giới thiệu nội
dung Chương 1. Kết cấu thép nhà công nghiệp một tầng và Chương 2. Kết cấu thép
nhà nhịp lớn, chuẩn bị cho các học phần tự chọn.
Mục tiêu:
Hướng dẫn người học tiếp cận việc thiết kế kết cấu thép cho nhà công nghiệp và
nhà nhịp lớn, có cấu tạo từ các cấu kiện cơ bản với cái nhìn tổng quát đến chi tiết. Bài
giảng truyền đạt cách lựa chọn phương án kết cấu sử dụng cho công trình nhà, đến các
nội dung tính toán, cấu tạo, hoàn chỉnh một quá trình thiết kế Kết cấu nhà thép.
Phạm vi biên soạn:
Bài giảng chỉ giới thiệu nội dung thiết kế các kết cấu chính dùng vật liệu thép, là
kết cấu nhà công nghiệp một tầng và kết cấu nhà nhịp lớn.
Mỗi loại kết cấu được biên soạn theo các bước chính, gồm: Mô tả kết cấu, đặc
điểm chịu lực và cấu tạo, đặc điểm tính toán.
Phương pháp biên soạn:
Thu thập và nghiên cứu tài liệu, phân tích làm rõ thông tin, cập nhật kiến thức và
công nghệ thực tế, để biên soạn thành tài liệu có tính chất hướng dẫn người mới tiếp
cận kiến thức chuyên ngành.
Đối tượng phục vụ:
Sinh viên ngành kỹ thuật công trình xây dựng, chuyên ngành xây dựng dân dụng
và công nghiệp.
Địa chỉ áp dụng:
Bô môn Kết cấu thép gỗ - Khoa Xây dựng, trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.
Tài liệu là sản phẩm của tập thể Giảng viên bộ môn Kết cấu Thép – Gỗ, nhiệm
vụ biên soạn được giao cho PGS.TS. Nguyễn Hồng Sơn, Ths. Vũ Quang Duẩn – viết
Chương 1; Ths. Mai Trọng Nghĩa và Ths. Nguyễn Thanh Tùng - viết Chương 2. Nhóm
biên soạn mong muốn nhận được những ý kiến, tài liệu đóng góp để bài giảng càng
ngày chất lượng hơn.
Xin Trân trọng cám ơn!
GIỚI THIỆU MÔN HỌC
9
1. Nội dung học phần
Lý thuyết (30 tiết) và Đồ án (30 tiết)
Lý thuyết, có các chương:
Chương 1. Kết cấu thép nhà công nghiệp một tầng (20 tiết)
1.1. Đại cương về nhà công nghiệp bằng thép
1.2. Cấu tạo của nhà công nghiệp một tầng
1.3. Tính toán khung ngang (khung thép nhẹ)
1.4. Thiết kế cấu kiện và chi tiết liên kết
1.5. Kết cấu mái
1.6. Kết cấu đỡ cầu trục
1.7. Hệ sườn tường (Kết cấu bao che)
Kiểm tra giữa kỳ
Chương 2. Kết cấu thép nhà nhịp lớn (10 tiết)
2.1. Phạm vi sử dụng và đặc điểm của kết cấu nhịp lớn
2.2. Nhà nhịp lớn với kết cấu phẳng chịu lực
2.3. Kết cấu mái không gian của nhà nhịp lớn
2.4. Kết cấu mái treo
2. Tài liệu học tập
Nguyễn Quang Viên (chủ biên). Kết cấu thép 2: Công trình dân dụng và
a. Giáo trình:
công nghiệp. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2013.
Phạm Minh Hà, Đoàn Tuyết Ngọc. Thiết kế khung thép nhà công nghiệp
b. Tài liệu tham khảo:
TCVN 5575-2012: Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế.
TCVN 2737-1995: Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế.
Đoàn Định Kiến (chủ biên). Thiết kế kết cấu thép nhà công nghiệp. Nhà
một tầng, một nhịp. Nhà xuất bản Xây dựng, 2008.
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1998.
3. Phương pháp đánh giá học phần
Học phần được đánh giá trên cơ sở kết quả đánh giá tổng hợp quá trình tham
dự giờ học lý thuyết trên lớp (thông qua việc điểm danh), kết quả kiểm tra giữa kỳ (bài
10
kiểm tra ngắn hoặc tiểu luận) và kết quả thi kết thúc học phần của mỗi sinh viên. Cụ
thể như sau:
a. Điểm quá trình: Đánh giá theo thang điểm 10 (trọng số 0,2), trong đó:
- Điểm chuyên cần (do điểm danh): Tối đa là 5/10 điểm
- Điểm kiểm tra giữa kỳ (1 hoặc 2 lần): Tối đa là 5/10 điểm
b. Điểm thi kết thúc học phần: Đánh giá theo thang điểm 10 (trọng số 0,8)
4. Tiêu chuẩn đánh giá kết quả học phần
a. Điểm quá trình: 2/10
b. Điểm thi kết thúc học phần: 8/10
GIÁO TRÌNH VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO
11
CHƯƠNG 1.
KẾT CẤU THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG
12
13
BÀI 1. ĐẠI CƯƠNG VỀ NHÀ CÔNG NGHIỆP BẰNG THÉP
1.1. Đặc điểm chung
Nhà công nghiệp một tầng bằng thép được sử dụng rộng rãi trong công trình xây
dựng công nghiệp. Kết cấu chịu lực có thể là khung hỗn hợp (cột bê tông cốt thép và
xà ngang bằng thép) hoặc khung toàn thép (tất cả kết cấu cột và xà ngang sử dụng
thép).
Hình 1.1. Nhà công nghiệp (khung hỗn hợp, khung toàn thép)
Kết cấu khung toàn thép được sử dụng cho:
- Nhà công nghiệp loại nặng, có chiều cao thông thủy lớn (H > 15m), nhịp lớn (L
> 24m), bước cột lớn (B 9m) và sức trục lớn (Q 30 tấn) với mái sử dụng các tấm
panel bê tông, loại này ít được sử dụng ở Việt Nam. Đặc điểm kết cấu là cột được tổ
hợp từ các thép hình hoặc cột rỗng với kết cấu mái là xà ngang hoặc giàn thép;
- Nhà công nghiệp loại nhẹ (nhà không có cầu trục - nhà kho hoặc nhà có cầu
trục với sức trục nhỏ (Q < 30 tấn), mái lợp tôn), đây là loại phổ biến ở nước ta. Đặc
điểm kết cấu là cột và xà ngang được tổ hợp từ các bản thép, chiều cao tiết diện cột và
xà có thể không đổi hoặc thay đổi (cấu kiện vát).
Hình 1.2. Khung thép nhà công nghiệp không có cầu trục
14
Nhà công nghiệp được chia làm 2 loại:
- Nhà không có cầu trục: nhà kho, nhà máy dệt may, nhà máy chế tạo đồng hồ,
nhà máy lắp ráp vô tuyến v.v…
- Nhà có cầu trục: xưởng luyện thép, sản xuất đường, sửa chữa đầu máy toa xe,
chế tạo tầu thủy v.v…
Theo đó, cầu trục là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến sự làm việc của kết cấu (tải
trọng động, lặp và gây hiện tượng mỏi).
Phân loại nhà xưởng theo chế độ làm việc của cầu trục:
- Đối với xưởng sản xuất nhỏ, xưởng cơ khí lắp ráp, sửa chữa thiết bị:
+ Chế độ làm việc nhẹ: (chiếm 15% thời gian sử dụng).
+ Chế độ làm việc trung bình: (chiếm 20% thời gian sử dụng).
- Đối với dây chuyền sản xuất lớn, xưởng chế tạo kết cấu và xưởng cán thép,
luyện kim.
+ Chế độ làm việc nặng: (chiếm 40-60% thời gian sử dụng).
+ Chế độ làm việc rất nặng: (chiếm hơn 60% thời gian sử dụng).
Với kết cấu khung thép nhẹ, sử dụng cho nhà không có cầu trục hoặc nhà có cầu
trục với sức trục nhỏ (Q < 30 tấn) và chế độ làm việc nhẹ hoặc trung bình.
1.2. Các yêu cầu khi thiết kế khung ngang
1.2.1. Yêu cầu về sử dụng
- Thuận tiện trong lắp đặt thiết bị máy móc: liên quan đến việc chọn bước cột,
đường đi cầu trục, hệ giằng.
- Đảm bảo thiết bị nâng cẩu làm việc bình thường: kết cấu khung nhà phải đủ độ
cứng dọc và ngang.
- Đảm bảo độ bền và bền lâu: phụ thuộc tính chất của tải trọng (cầu trục gây hiện
tượng mỏi cho kết cấu) và ảnh hưởng của môi trường (mức độ xâm thực của môi
trường đến bề mặt kết cấu, gây ăn mòn tiết diện dầm và cột khung).
- Đảm bảo điều kiện thông gió và chiếu sáng: liên quan đến việc chọn nhịp nhà,
nhịp cửa trời và chiều cao các cửa kính.
1.2.2. Yêu cầu về kinh tế
- Chi phí thép và công chế tạo thấp: liên quan đến giá thành vật liệu, giá thành
chế tạo và xây lắp (chọn giải pháp và hình dạng kết cấu, giải pháp tiết diện dầm và
cột).
15
- Rút ngắn thời gian thi công, tiến độ xây dựng: cần định hình hoá các cấu kiện
cho phép giảm chủng loại kết cấu, các cấu kiện kết cấu được sản xuất trong nhà máy
rồi khuếch đại tại công trường.
- Lựa chọn vật liệu làm kết cấu, giải pháp kết cấu chọn sao cho tiết kiệm thép
nhất: chọn giải pháp kết cấu khung toàn thép hoặc hoặc khung hỗn hợp.
1.3. Một số hình ảnh về khung thép nhà công nghiệp
1.3.1. Hình ảnh cấu tạo chung của nhà công nghiệp
Hình 1.3. Các bộ phận chính trong nhà công nghiệp
(1 – khung đầu hồi; 2 – xà gồ mái; 3 – khung ngang; 4 – cửa trời; 6 – tấm lấy sáng; 7 – máng thu nước; 8 – cửa chớp tôn; 9 – cửa đẩy; 10 - tấm thưng tường; 11 – cửa sổ; 12 – cột khung; 13 – giằng cột và giằng mái; 14 – tường xây bao; 15 – xà gồ tường; 16 – cửa đẩy, cửa cuốn; 17 – mái hắt; 18 – cột đầu hồi)
1.3.2. Hình ảnh cấu tạo chi tiết của nhà công nghiệp
Hình 1.4. Khung nhà công nghiệp có cầu trục
16
Hình 1.5. Khung nhà công nghiệp có cầu trục và không có cầu trục
Hình 1.6. Khung ngang và khung đầu hồi nhà xưởng – có cửa trời
Hình 1.7. Chi tiết liên kết trong khung ngang và xà gồ mái
Hình 1.8. Chi tiết liên kết xà ngang - xà ngang và chân cột
17
BÀI 2. CẤU TẠO NHÀ CÔNG NGHIỆP MỘT TẦNG
2.1. Các bộ phận chính của kết cấu nhà công nghiệp một tầng
Các bộ phận chịu lực nhà công nghiệp một tầng gồm có:
a) Kết cấu mái:
Gồm xà gồ mái và hệ giằng xà gồ, kết cấu đỡ kèo (nếu có), tấm mái (panel bê
tông cốt thép hoặc tấm tôn, tấm phibro xi măng), cửa mái (hay còn gọi là cửa trời).
b) Kết cấu khung ngang:
Gồm có cột và xà ngang (là dầm hoặc giàn vì kèo), hệ giằng cột và giằng mái,
tường bao che (tường panel, xây gạch hoặc tôn với xà gồ quây tôn).
c) Kết cấu khung đầu hồi và sườn tường:
Gồm có dầm, cột của khung đầu hồi để đỡ tường và giằng cột khung đầu hồi; hệ
sườn tường.
Ngoài các bộ phận chịu lực chính trong khung như đã nêu trên, kết cấu nhà công
nghiệp còn có dầm cầu trục, móng và giằng móng. Các bộ phận trên liên kết với nhau
để tạo nên kết cấu không gian để chịu toàn bộ tải trọng tác dụng lên nhà. Một cách đơn
giản, có thể tách thành khung ngang và khung dọc. Khung ngang gồm có cột, xà ngang
(xà ngang là giàn vì kèo hoặc dầm) và móng. Các khung ngang liên hệ với nhau thông
qua kết cấu dọc như hệ giằng, dầm cầu trục, kết cấu cửa mái, kết cấu đỡ tường. Trong
thiết kế, do độ cứng của khung ngang nhỏ hơn nhiều so với độ cứng của khung dọc,
nên với sai số chấp nhận được thì cho phép tách một khung ngang để thiết kế.
2.2. Bố trí hệ lưới cột
Bố trí lưới cột là tìm kích thước hợp lý giữa các cột theo hai phương, theo
phương ngang gọi là nhịp, theo phương dọc gọi là bước cột. Khi chọn kích thước hệ
lưới cột cần xuất phát từ điều kiện sử dụng vật liệu, công nghệ và các thiết bị máy móc
như số lượng cầu trục, chế độ làm việc và còn tính đến khả năng thay đổi công nghệ
trong tương lai. Ngoài ra, cần căn cứ vào điều kiện kinh tế sao cho chi phí vật liệu làm
kết cấu là ít nhất.
- Nhịp khung: Thường lấy các giá trị từ 12,0m đến 36,0m với mô đun là 3,0m.
- Bước cột: Thống nhất mô đun là 6,0m hoặc 12m (cũng có khi gặp bước cột
7,5m, 9,0m, 10,5m); khi lựa chọn bước cột cần so sánh một vài phương án để chọn
phương án hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật (sử dụng bước cột B = 12m khi nhịp L >
30m, chiều cao H > 15m, sức trục Q > 30 tấn).
18
Khi nhà dài, phải có khe nhiệt độ (để giảm ứng suất phát sinh trong kết cấu
khung do ảnh hưởng của thay đổi nhiệt độ), khoảng cách giữa các khe nhiệt độ theo
phương dọc nhà lấy không quá 200m, theo phương ngang nhà không quá 120m. Theo
đó, giải quyết khe nhiệt độ dọc nhà bằng cách chia thành các khối riêng biệt có thêm
(a)
(b)
(c)
cột phụ, hoặc cấu tạo gối tựa di động cho dầm tường và xà gồ mái.
Hình 1.9. Mặt bằng bố trí lưới cột
(a – cho nhà một nhịp; a – cho nhà nhiều nhịp; c – cho nhà một nhịp nhiều khối nhà)
2.3. Kích thước khung ngang
2.3.1. Sơ đồ khung ngang
Khung thép nhẹ một tầng một nhịp (hoặc nhiều nhịp) thường dùng trong các
công trình cần không gian thông thoáng hoàn toàn như nhà thi đấu, hăng ga máy bay,
phòng trưng bày sản phẩm, nhà kho, nhà sản xuất v.v… với nhịp khung không quá
60m. Việc lựa chọn sơ đồ khung một nhịp hoặc nhiều nhịp phụ thuộc vào yêu cầu kiến
(a)
(b)
(c)
trúc và công năng sử dụng của công trình.
Hình 1.10. Khung ngang với tiết diện không thay đổi, thay đổi
(a – tiết diện không đổi; b – tiết diện thay đổi; c – tiết diện xà khoét lỗ ở bản bụng)
Như đã biết, kết cấu khung chịu lực chính, loại được sử dụng phổ biến hiện nay
là khung thép nhẹ, kết cấu khung gồm cột và xà ngang. Trong sơ đồ khung cần quan
tâm đến việc lựa chọn hình thức tiết diện cột và xà. Kết cấu cột sử dụng loại tiết diện
đặc hoặc rỗng được tổ hợp từ thép tấm hoặc thép hình nhưng phổ biến được tổ hợp từ
các thép tấm và dùng liên kết hàn. Theo chiều dài cột, có thể tiết diện không đổi hoặc
thay đổi, với tiết diện thay đổi theo kiểu cột bậc hoặc cột vát (hình nêm). Theo chiều
19
dài nhịp, xà ngang có chiều cao tiết diện cột và xà không thay đổi (Hình 1.10a) hoặc
thay đổi - xà vát, hình nêm (Hình 1.10b), với nhịp khung lớn để hiệu quả về mặt chịu
lực và sử dụng vật liệu có thể chọn tiết diện xà (hoặc cả cột) chữ I tổ hợp hàn có khoét
lỗ ở bản bụng (Hình 1.10c).
Trong sơ đồ tính khung, với cột tiết diện không đổi thì trục cột quy ước là trục đi
qua trọng tâm tiết diện cột, với cột tiết diện thay đổi (hoặc cột vát) thì trục cột quy ước
đi qua trọng tâm tiết diện cột ở phía đầu bé hơn. Với xà tiết diện không đổi hoặc thay
đổi thì đều lấy trục quy ước và trục đi qua trọng tâm tiết diện của từng đoạn.
Liên kết giữa cột khung với móng có thể là ngàm hoặc khớp (Hình 1.11). Liên
kết khớp có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, giảm kích thước móng vì không có mô men
uốn ở chân cột, nên thường được dùng khi kích thước không lớn, nhà không có cầu
trục hoặc khi nền đất yếu. Tuy nhiên, với những khung ngang có kích thước lớn, chịu
tải trọng nặng (sức trục lớn, gió mạnh) nếu dùng liên kết khớp thì chuyển vị ngang ở
đỉnh cột sẽ lớn, nên trong trường hợp này cần chọn phương án liên kết ngàm giữa chân
cột khung với móng để phân phối bớt mô men đầu cột xuống móng làm giảm chuyển
vị ngang đầu cột và tăng khả năng ổn định cũng như độ cứng khung ngang. Với nhà có
cầu trục, cầu trục đặt ở vai cột sử dụng phổ biến trong các nhà công nghiệp bởi móc
cẩu hoạt động được toàn bộ diện tích nhà, với cầu trục treo chỉ nên sử dụng với sức
Q
Q
(a)
(b)
(c)
trục nhỏ và móc cẩu hoạt động trong một khu vực nhất định trên mặt bằng.
Hình 1.11. Sơ đồ khung một nhịp (chân cột khớp hoặc ngàm)
(a – nhà không cầu trục; b – cầu trục đặt ở vai cột; c – cầu trục treo ở xà mái)
Một dạng khác của khung một nhịp là loại có cột chống giữa, thường dùng khi
không gian trong nhà không cần quá lớn, thường sử dụng làm nhà kho, nhà điều hành
sản xuất, nhà xưởng v.v.. Nhịp khung có thể lên đến 70 – 80m, nhưng nhịp đảm bảo
yêu cầu về kinh tế thì nên ở khoảng 18 đến 24m. Khi nhịp lớn cần xét ảnh hưởng của
nhiệt độ tới sự làm việc của kết cấu. Loại khung này có ưu điểm là không giới hạn
chiều rộng nhà, không gian sử dụng linh hoạt, có thể bố trí thành nhiều phòng khi sử
dụng vách ngăn. Tuy nhiên, kết cấu khung rất nhạy cảm với hiện tượng lún lệch của
móng, cột giữa có chiều cao quá lớn nếu nhịp rộng, vị trí cột khó có thể thay đổi trong
20
tương lại. Để giảm chiều cao cột giữa có thể sử dụng sơ đồ kết cấu khung một nhịp có
nhiều cột chống. Cột chính thường liên kết ngàm với móng, cột giữa có thể liên kết
khớp hoặc cứng với xà ngang. Liên kết khớp khi tải trọng gió nhỏ, liên kết cứng khi tải
(a)
(b)
(c)
trọng gió lớn hoặc chiều cao cột lớn.
Hình 1.12. Sơ đồ khung một nhịp có một hoặc nhiều cột chống giữa
Một kiểu khung một nhịp khác thường gặp là loại khung tựa (Hình 1.13a,b), hay
khung một mái dốc. Khung tựa thường được bố trí bổ sung cho các công trình đã có
nhưng cần mở rộng, như phòng đặt thiết bị, phòng nghỉ cho công nhân, nhà kho v.v..
Khung tựa không đứng vững, không tự ổn định mà phải tựa vào khung khác với một
mái dốc. Xà ngang của khung tựa thường có liên kết khớp với khung chính để cột có
tiết diện nhỏ. Nhịp của khung tựa không lớn, thường không quá 18m, nhưng về yêu
cầu kinh tế và không gian sử dụng nên hạn chế nhịp dưới 12m. Với yêu cầu nhịp lớn
hơn thì xà cần được liên kết cứng với khung chính, hoặc đặt thêm cột phụ để chống
trong nhịp. Khi cấu tạo liên kết giữa gian chái vào khung chính, cần chú ý sao cho hệ
thống thoát nước mái không ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu. Cột và xà của
gian nhà chái thường chọn tiết diện không đổi. Tuy nhiên, khi nhịp lớn hơn có thể
chọn tiết diện thay đổi.
Khung một mái dốc có dạng một nhịp (Hình 1.13c), hoặc có thêm cột chống,
nhịp khung đến 50m, nhưng loại khung này không kinh tế bằng khung một nhịp có hai
mái dốc nên thường được áp dụng cho yêu cầu thoát nước mái, khi cần không gian lớn
ở một bên nhà, cần mở rộng thêm nhịp của công trình nhưng không được để máng
nước ở giữa hai nhà cũ và mới hoặc không được chất thêm tải trọng vào cột, móng của
(a)
(b)
(c)
công trình cũ.
Hình 1.13. Sơ đồ khung tựa và khung khung một mái dốc
(a, b – khung tựa; c – khung một mái dốc)
21
Ngoài các dạng kết cấu khung một tầng, một nhịp với cột và xà tiết diện chữ I
với chiều cao tiết diện không đổi hoặc thay đổi như đã nêu, cũng có thể sử dụng cột và
xà ngang dạng giàn vì kèo, giàn mái có các thanh bằng thép góc hoặc thép định hình
hoặc tổ hợp hàn. Liên kết giàn mái với cột đặc được cấu tạo là cứng (Hình 1.14a) hoặc
cấu tạo là khớp (Hình 1.14b), cũng có thể sử dụng kết cấu khung rỗng (Hình 1.14c).
Liên kết giàn mái với cột khi cấu tạo là cứng sẽ tạo độ cứng lớn cho khung, thường sử
dụng khi có yêu cầu độ cứng cao như đối với khung một nhịp chịu tải trọng cầu trục;
khi cấu tạo là khớp chỉ thích hợp với khung các nhà xưởng có cầu trục nhẹ, chiều cao
(a)
(b)
(c)
nhỏ hoặc nhà xưởng không có cầu trục, đôi khi cũng dùng cho khung nhiều nhịp.
Hình 1.14. Kết cấu khung có giàn mái hoặc khung rỗng
2.3.2. Kích thước chính của khung một nhịp
i
k
h
t
B
H
2
>75
k
t
H
H
H
1
H
H
d
1
H
a
1
L
Lk
0,00
3
H
h
d
1
L1
L
Lk L
L
A
B
A
(a)
(b)
a) Kích thước theo phương ngang:
Hình 1.15. Các kích thước chính của khung ngang
(a - theo phương ngang; b - theo phương đứng)
- Khoảng cách từ mép ngoài cột đến trục định vị, (a) lấy như sau:
a = 0 Nhà không có cầu trục hoặc nhà có chiều cao thấp với cầu trục với sức
trục nâng dưới 30 tấn (trục định vị nhà trùng với mép ngoài cột).
a = 500 Nhà có cầu trục với sức trục lớn hơn 75 tấn hoặc chế độ làm việc nặng và
cần bố trí lối đi xuyên qua giữa thân cột trên.
a = 250 Cho các trường hợp còn lại.
22
- Chiều cao tiết diện cột, trường hợp tiết diện cột trên và cột dưới không đổi, (h = ht =
hd), lấy phụ thuộc vào chiều dài toàn cột:
h = (1/15 - 1/20)H (1.1)
- Chiều cao tiết diện cột, trường hợp tiết diện cột trên (hd) và cột dưới (hd) thay đổi: lấy
chiều cao tiết diện phụ thuộc vào chiều dài từng đoạn cột:
ht = (1/10-1/15)Ht (1.2)
hd = (1/15-1/20)Hd (1.3)
(Ht và Hd chiều dài đoạn cột trên và cột dưới)
- Khoảng cách từ trục ray cầu trục đến trục định vị, (L1)
(1.4) L1 = B + (ht - a) +D
B - phần đầu cầu trục từ ray đến mép ngoài;
D - khe hở an toàn giữa đầu cầu trục và mép cột, D 75mm.
L1 được (tạm lấy) như sau:
L1 = 750mm - nhà có cầu trục với sức trục Q < 75 tấn;
L1 = 1000mm - nhà có cầu trục với sức trục Q > 75 tấn;
L1 = 1250mm - nhà có cầu trục rất nặng, có lối đi ở cột trên;
- Nhịp nhà, (L)
L = Lk + 2L1 (1.5)
Lk - nhịp của cầu trục lấy theo thông số kỹ thuật của cầu trục.
b) Kích thước theo phương đứng:
- Chiều cao cột, tính từ mặt móng đến đỉnh cột hoặc đáy xà (H), lấy chẵn 100mm
H = H1 + H2 + H3 (1.6)
trong đó:
H1 - cao trình đỉnh ray, là khoảng cách nhỏ nhất từ mặt nền đến mặt ray cầu trục,
được lấy theo yêu cầu sử dụng và yêu cầu công nghệ;
H2 – chiều cao từ mặt ray đến đáy xà ngang, xác định:
H2 = Hk + bk (1.7)
Hk – chiều cao gabarit của cầu trục, là khoảng cách từ mặt ray đến điểm cao nhất
của cầu trục, lấy theo thông số kỹ thuật của cầu trục;
bk – khe hở an toàn giữa cầu trục và xà ngang, lấy không nhỏ hơn 200mm;
H3 - phần cột chôn dưới cao trình nền, lấy sơ bộ khoảng từ 0 1,0m
- Chiều cao cột trên, từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến đáy xà ngang (Ht)
23
Ht = H2 + Hdct + Hr (1.8)
trong đó:
Hdct - chiều cao dầm cầu trục, lấy theo phần thiết kế dầm cầu trục hoặc chọn sơ
bộ khoảng 1/8 1/10 nhịp dầm, Hdct = (1/8 1/10)B;
Hr - chiều cao tổng cộng của ray và đệm, lấy theo quy cách ray và phụ thuộc cầu
trục, sơ bộ lấy Hr = 200mm;
- Chiều cao cột dưới, từ vai cột đỡ dầm cầu trục đến mặt móng (Hd)
Hd = H - Ht (1.9)
Độ dốc của mái thường chọn i = (10 – 15)% với khung có nhịp dưới 60m.
2.4. Hệ giằng khung nhà công nghiệp
Tác dụng chung của hệ giằng:
- Hệ giằng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ cứng không gian của
nhà, giảm chiều dài tính toán của xà và cột theo phương ngoài mặt phẳng uốn, từ đó
tăng ổn định tổng thể của khung ngang.
- Hệ giằng còn có tác dụng truyền tải trọng gió tác dụng ở đầu hồi và lực hãm
ngang cầu trục theo phương dọc nhà xuống móng.
- Ngoài ra, hệ giằng còn có tác dụng đảm bảo cho việc thi công lắp dựng kết cấu
được an toàn và thuận tiện.
Hệ giằng trong khung nhà công nghiệp sử dụng khung thép nhẹ, gồm hai hệ
thống giằng là hệ giằng mái và hệ giằng cột.
2.4.1. Hệ giằng mái
Hình 1.16. Hình ảnh minh họa hệ giằng mái sử dụng thép tròn và thép góc
a) Đối với khung thép nhẹ trong nhà công nghiệp sử dụng xà ngang
Hệ giằng mái được bố trí theo phương ngang nhà tại hai gian đầu hồi (đôi khi bố
trí ở gian gần đầu hồi), đầu các khối nhiệt độ và ở một số gian giữa nhà tùy thuộc vào
24
chiều dài nhà, sao cho khoảng cách giữa các giằng bố trí không quá 5 bước cột, bản
bụng của hai xà ngang cạnh nhau được nối bởi giằng chéo chữ thập. Các thanh giằng
chéo có thể là thép góc (tối thiểu loại thép góc L50x5 và độ mảnh giới hạn [] = 200
đối với thanh nén và [] = 400 đối với thanh kéo), hoặc thép tròn và cáp thép mạ kẽm
(có tăng đơ) đường kính không nhỏ hơn 12mm. Ngoài ra, còn bố trí thanh chống dọc
bằng thép hình (thường là thép góc) tại vị trí quan trọng như đỉnh mái, đầu cột (xà),
chân cửa mái. Thanh chống dọc có tác dụng đảm bảo cố định khung trong quá trình thi
công lắp dựng các khung và chịu một phần lực căng khi sử dụng hệ giằng sử dụng
thanh căng bằng thép tròn hoặc cáp thép.
Trường hợp nhà có cầu trục, cần bố trí thêm giằng chéo chữ thập dọc theo đầu
cột để tăng độ cứng cho khung ngang theo phương dọc nhà và truyền tải trọng ngang,
như tải trọng gió, lực hãm ngang cầu trục ra các khung lân cận.
b) Đối với khung thép nhẹ trong nhà công nghiệp sử dụng giàn mái
Do cấu tạo giàn mái gồm có thanh cánh trên, thanh cánh dưới và hệ thanh bụng.
Vì vậy, hệ giằng cần phải bố trí trong mặt phẳng cánh trên, trong mặt phẳng cánh dưới
và hệ giằng đứng.
Hệ giằng mái trong mặt phẳng cánh trên, chỉ được bố trí theo phương ngang nhà
tại hai gian đầu hồi (đôi khi bố trí ở gian gần đầu hồi), đầu các khối nhiệt độ và một số
gian giữa nhà tùy thuộc vào chiều dài nhà.
Hệ giằng mái trong mặt phẳng cánh dưới, được bố trí phương ngang nhà và
phương dọc nhà. Theo phương ngang nhà, hệ giằng bố trí tại vị trí có giằng trong mặt
phẳng cánh trên (cùng với giằng cánh trên tạo thành khối cứng tại hai đầu hồi và giữa
nhà và làm điểm tựa cho hệ sườn tường đầu hồi và tiếp thu tải trọng gió - hệ giằng còn
gọi là giàn gió). Theo phương dọc nhà, hệ giằng bố trí dọc theo đầu cột có tác dụng
truyền lực hãm dọc cục bộ của cầu trục ra các khung lân cận, hệ giằng này chỉ áp dụng
cho nhà có cầu trục với sức trục lớn.
Hệ giằng đứng, bố trí trong mặt phẳng thanh đứng cùng với hệ giằng khác tạo
khối cứng bất biến hình và làm điểm tựa cho các giàn khác. Theo phương ngang nhà
khoảng cách giữa các giằng đứng từ (12 - 15)m, theo phương dọc nhà giằng đứng bố
trí tại vị trí có giằng cánh trên và giằng cánh dưới.
Hình thức bố trí và tiết diện thanh giằng tương tự như đối với hệ giằng khung
thép nhẹ trong nhà công nghiệp sử dụng xà ngang.
(a)
b
0 5 2 5
0 5 2 5
0 0 0 1 2
0 5 2 5
0 5 2 5
a
6000
6000
6000
6000
6000
6000
6000
6000
3
5
6
8
9
1
2
4
7
+ 8.60
(b)
+6.30
± 0.00
6000
6000
6000
6000
6000
6000
6000
6000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
200
100
100
100100
235 235
100100
250 125 125
250 125 125
L100x5
0 0 3
0 0 3
0 0 2
0 0 2
L100x5
185
185
0 5 1 0 5 1
100
75
75
100
470 235 235
200 100100
470 235 235
200 100100
23x30
L100x5
23x30
25
Hình 1.17. Sơ đồ bố trí hệ giằng mái và giằng cột
(a – mặt bằng hệ giằng; b – giằng cột; c – các chi tiết cấu tạo)
26
2.4.2. Hệ giằng cột
Hình 1.18. Hình ảnh minh họa hệ giằng cột sử dụng thép góc
Hệ giằng cột có tác dụng đảm bảo độ cứng dọc nhà và ổn định cho cột, tiếp nhận
và truyền xuống móng các tải trọng tác dụng theo phương dọc nhà như tải trọng gió
lên tường khung đầu hồi, lực hãm dọc nhà của cầu trục. Hệ giằng cột gồm các thanh
chéo được bố trí trong phạm vi cột trên và cột dưới tại những gian có bố trí hệ giằng
mái.
Trường hợp nhà không có cầu trục hoặc nhà có cầu trục với sức nâng dưới 15
tấn, hệ giằng có thể dùng thanh giằng chéo chữ thập bằng thép tròn với đường kính
không nhỏ hơn 20mm. Nếu sức nâng của cầu trục trên 15 tấn cần dùng thanh giằng
bằng thép hình (thường là thép góc) với độ mảnh của thanh giằng không vượt quá 200. Góc nghiêng của trục thanh giằng cột so với trục cột thường trong khoảng 350- 550, trường hợp nhà có bước cột nhỏ và chiều cao cột khung lớn tạo góc nghiêng trục
thanh giằng nhỏ thì cần chia đôi hệ giằng và sử dụng thêm thanh chống phụ.
2.4.3. Đặc điểm tính toán hệ giằng (tự đọc tài liệu)
a) Hệ giằng mái
- Giằng ngang (hay còn gọi là giàn gió): Do được cấu tạo để chịu tải trọng gió ở
đầu hồi và hệ sườn tường truyền vào, sơ đồ tính như giàn chịu tải trọng ngang với
thanh cánh là thanh cánh giàn chính (với kết cấu khung có giàn mái) hoặc là thanh
cánh xà ngang (với kết cấu khung có xà ngang), các thanh bụng chữ thập (thanh giằng
chéo) khi chịu lực có một thanh kéo và một thanh nén. Do tính chất đổi chiều của tải
trọng, sơ đồ tính bỏ qua thanh nén coi như giàn tĩnh định, nội lực trong các thanh giàn
được xác định theo cách thông thường của cơ học kết cấu, và tiết diện thanh giằng
được chọn theo nội lực thanh chịu kéo lớn nhất.
27
- Giằng dọc: Sơ đồ tính là giàn liên tục gối trên các gối tựa đàn hồi, gối tựa của
giàn kết cấu giàn chính là các khung ngang, hệ số đàn hồi của gối tựa được xác định
thông qua giá trị chuyển vị ngang ở đầu cột khung.
b) Hệ giằng cột
Sơ đồ tính như giàn gió, với thanh cánh là các cột khung và thanh bụng là các
giằng chéo, hệ giằng cột chịu lực hãm dọc do cầu trục và tải trọng gió ở đầu hồi, lực
hãm dọc lấy giá trị khoảng 0,1Pmax. Để tìm nội lực trong các thanh giằng cột, bỏ qua
sự làm việc của các thanh chịu nén và sơ đồ tính là giàn tĩnh định, dùng phương pháp
mặt cắt để xác định nội lực trong các thanh giằng chịu kéo, rồi tính toán lựa chọn diện
tích tiết diện thanh giằng.
Các thanh giằng được chọn theo độ mảnh giới hạn [] = 400 đối với thanh kéo,
[] = 200 đối với thanh nén, liên kết giàn và giằng dùng thanh căng loại bulông với
W/2
W
W
L
L
Wd
W
W/2
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
T B
(b)
(a)
W/2
W/2
k d
k d
k d
k d
k d
k d
k d
k d
k d
k d
T
T
T
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
B
(d)
(c)
đường kính (18 - 20)mm.
Hình 1.19. Sơ đồ tính hệ giằng mái nhà công nghiệp
(a – mặt bằng hệ giằng; b, c, d – sơ đồ tính giằng ngang, giằng dọc và giằng cột)
28
BÀI 3. TÍNH TOÁN KHUNG NGANG
3.1. Sơ đồ tính khung
- Sơ đồ tính khung, cần chọn phù hợp với sơ đồ cấu tạo để tránh ứng suất phụ do
sai khác giữa sơ đồ thực với sơ đồ tính toán.
- Giả thiết trước độ cứng (thông qua giả thiết trước tiết diện cột và xà ngang), xét
đến liên kết các cấu kiện trong khung, và liên kết chân cột khung với móng.
- Trục tính toán của cấu kiện lấy đi qua trọng tâm của tiết diện, với khung có cấu
kiện tiết diện thay đổi thì trục cột lấy đi qua trọng tâm tiết diện bé ở chân cột, trục xà
đi qua trọng tâm tiết diện từng đoạn. Tuy nhiên, trong tính toán thực hành với kết quả
tính chấp nhận được, trục tính toán của cột lấy là trục định vị cột; trục tính toán của xà
lấy theo góc nghiêng của độ dốc mái và đi qua vị trí đỉnh cột giao với đáy xà. Góc
nghiêng xà và cột lấy theo góc nghiêng của độ dốc mái i (%). Đối với trường hợp tiết
diện cột vát, trục cột lấy qua trọng tâm tiết diện cột bé ở chân cột.
Tùy theo yêu cầu công nghệ sản xuất, điều kiện địa chất mà quyết định hình thức
khung (có thể khung một nhịp hoặc nhiều nhịp), và liên kết giữa cột và xà, giữa cột với
móng. Thường chọn liên kết đầu cột với xà là liên kết cứng, liên kết chân cột với móng
là ngàm hoặc khớp, và liên kết các đoạn xà là cứng. Hình 1.20 minh họa kết cấu khung
một nhịp có liên kết chân cột ngàm cứng; liên kết xà với đầu cột và liên kết các đoạn
xà là cứng, đoạn xà 1 có tiết diện thay đổi (vát) còn các đoạn cấu kiện xà và cột khác
không đổi. Đoạn xà 1 có chiều dài khoảng 1/6 nhịp L, và việc phân chia các đoạn xà
phụ thuộc vào chiều dài đoạn chuyên chở có thể của phương tiện vận chuyển và khả
i
I 2
i
I 2
m H
I 2
I 1
2
k
t
H
H
H
I 1
1
H
H
d
H
I 1
0,00
0,00
3
H
~L/6
~L/6
1
L1
L
Lk L
L
A
B
A
B
(a)
(b)
năng gia công chế tạo mô đun trong nhà máy.
Hình 1.20. Xác định sơ đồ tính toán khung ngang một nhịp
(a – sơ đồ thực; b – sơ đồ tính)
29
3.2. Tải trọng tác dụng lên khung ngang
3.2.1. Tải trọng thường xuyên
Gồm trọng lượng bản thân kết cấu, trọng lượng mái và hệ giằng, chúng được đưa
về phân bố đều trên xà ngang.
q
q B o
(1.10)
trong đó:
qo - tải trọng tính toán phân bố đều trên mặt bằng, kN/m2; B – bước cột, m.
Trọng lượng bản thân cột và xà ngang trong kết cấu khung được phần mềm phân
tích nội lực tự tính, nhưng cần phải nhân với hệ số kể đến trọng lượng của chi tiết liên
kết, n = 1,05.
a) Tải trọng các lớp vật liệu trên mái và trần treo
- Trường hợp mái sử dụng tấm lợp là tôn: gồm trọng bản thân tôn và vật liệu
cách nhiệt (nếu có), trọng lượng xà gồ. Trọng lượng các loại vật liệu trên lấy theo catalo của nhà sản xuất hoặc có thể lấy sơ bộ khoảng (0,10 - 0,15) kN/m2.
- Trường hợp nhà có trần treo bằng vật liệu nhẹ (thạch cao, trần nhựa, tôn lạnh),
lấy trọng lượng khoảng 0,05kN/m2.
b) Trọng lượng kết cấu mái và hệ giằng
- Trường hợp khung có xà ngang, được lấy theo các thiết kế tương tự hoặc có thể
lấy sơ bộ khoảng (0,15 - 0,20) kN/m2.
- Trường hợp khung có giàn vì kèo, trọng lượng bản thân giàn và hệ giằng được
c
xác định theo công thức kinh nghiệm, (kN/m2):
g
1,2 L d
(1.11)
trong đó:
L - nhịp giàn, m;
d - hệ số trọng lượng bản thân, d = 0,0050,007 đối với giàn L = 18 30m;
1,2 - hệ số kể đến trọng lượng các thanh giằng;
c) Trọng lượng kết cấu cửa trời (nếu có)
ct
- Tính trên diện tích mặt bằng nhà (kN/m2), được lấy theo kinh nghiệm:
g
2 L ct
ct
(1.12)
trong đó:
30
ct - hệ số , ct=0,005,
Lct - nhịp cửa trời, m.
- Hoặc trọng lượng kết cấu cửa trời quy về lực tác dụng có thể lấy từ (0,12
0,18) kN/m2 mặt bằng nhà.
d) Trọng lượng dầm cầu trục đặt tại vai cột
- Lấy theo kinh nghiệm:
khi Q = 5 15t; gdct = 2,0 6,0kN/m
khi Q = 20 50t; gdct = 4,0 8,0kN/m
khi Q > 50t; gdct = 6,0 12,0kN/m
dct
- Lấy theo công thức gần đúng:
G
2 L dct
dct
(1.13)
Ldct - nhịp dầm cầu trục (cũng là bước cột B), m;
dct - hệ số trọng lượng bản thân dầm cầu trục, dct = 0,24 0,37 với Q<75t; dct
= 0,35 0,47 với cầu trục nặng hơn.
e) Trọng lượng bản thân tôn tường và xà gồ tường
Quy về tải tập trung đặt tại đỉnh cột:
G n.q .B.H
t
(1.14)
trong đó:
n – hệ số vượt tải, n = 1,1; qt - trọng lượng bản thân tôn tường và xà gồ tường (tạm tính), qt = 0,15kN/m2;
B – bước cột, m;
q = q .Bo
q = q .B.cos o
q = q .B.cos o
G
G
G
G
t
t
H
H
P
P
P
P
M=Pe
M=Pe
M=Pe
M=Pe
d
d
e
e
H
H
(a)
(b)
H – chiều cao cột, m.
Hình 1.21. Sơ đồ tính khung với tải trọng thường xuyên
(a – phân bố theo phương thẳng đứng; b – khi phân bố vuông góc mặt mái)
31
3.2.2. Tải trọng cầu trục
Gồm trọng lượng vật nặng (sức trục Q), trọng lượng bản thân cầu trục và xe con
chạy trên cầu trục, các tải trọng tác dụng lên khung theo phương thẳng đứng thông qua
phản lực tại vai cột và theo phương ngang thông qua bản dầm hãm đặt tại cao trình
ray.
P
P
P
P
P
P
CT-1
CT-2
CT-1
B
B
B
y2
y4
y2
y3
y =11
y =11
(a)
(b)
a) Áp lực đứng của cầu trục
Hình 1.22. Xác định vị trí bất lợi của tải trọng cầu trục
(a - nhà có hai cầu trục hoạt động; b – nhà có một cầu trục hoạt động)
Áp lực thẳng đứng Dmax, Dmin của cầu trục truyền qua dầm cầu trục thành tải
trọng tập trung đặt tại vai cột. Trị số của Dmax, Dmin có thể xác định bằng đường ảnh
hưởng của phản lực gối tựa dầm cầu trục khi các bánh xe di chuyển đến vị trí bất lợi
nhất. Với sơ đồ tính khung một nhịp, tải trọng này tính cho hai cầu trục hoạt động
trong một nhịp (hoặc một cầu trục hoạt động nếu nhà công nghiệp chỉ có một cầu
trục); với sơ đồ tính khung nhiều nhịp, tải trọng này tính cho không quá bốn cầu trục
hoạt động trong hai nhịp.
Khi một phía có áp lực lớn nhất Dmax tác dụng, tương ứng phía bên kia lực tác
dụng lên vai cột là lực bé nhất Dmin tác dụng. Trị số áp lực đứng tính toán của cầu trục
truyền lên vai cột xác định theo công thức:
D
max
.n .P . c max
p
i
D
y
(1.15)
.n .P . c min
p
i
y (1.16)
min
trong đó:
p - hệ số độ tin cậy của tải trọng do cầu trục, p = 1,1;
nc - hệ số tổ hợp xét đến xác suất xảy ra đồng thời tải trọng tối đa của nhiều cầu
trục, phụ thuộc sức trục và chế độ làm việc của cầu trục, nc = 0,85 khi xét tải trọng do
hai cầu trục chế độ làm việc nhẹ hoặc trung bình, nc = 0,9 khi xét tải trọng do hai cầu
trục chế độ làm việc nặng;
32
yi - tổng tung độ đường ảnh hưởng phản lực gối tựa tại vị trí có bánh xe cầu
trục;
Pmax - áp lực lớn nhất của một bánh xe cầu trục lên ray khi xe con mang vật nặng
vào vị trí sát cột phía đó, trị số tiêu chuẩn Pmax được lấy theo Catalô cầu trục.
Pmin - tương ứng phía bên kia, áp lực xe con lên ray nhỏ nhất;
P min
P max
Q G n
o
(1.17)
Q - sức trục của cầu trục, tính theo đơn vị lực;
G - trọng lượng toàn bộ cầu trục;
no - số bánh xe ở một bên ray cầu trục;
Dmax và Dmin đặt tại vai cột và lệch tâm so với trục tiết diện cột dưới một khoảng
là e. Các lực Dmax và Dmin này gây ra mô men lệch tâm tương ứng và cần phải kể đến
trong tính toán:
M
max
D .e max
(1.18)
M
D .e min
min
(1.19)
trong đó:
e – độ lệch tâm của áp lực đứng, là khoảng cách trục dầm cầu trục (trục ray) đến
trục cột dưới,
e
a L 0,5h 1
(1.20)
a, h, L1 – các ký hiệu xem mục 2.3.2.
b) Áp lực ngang của cầu trục
Khi cầu trục hoạt động còn sinh ra áp lực ngang do xe con hãm. Lực hãm thông
qua bánh xe cầu trục truyền lên bản hãm vào cột bằng phản lực tựa bản hãm, gọi là T
(lực T có thể hướng vào hoặc hướng ra khỏi cột). Lực T xác định tương tự như Dmax và
y
T n.n .T . 1
c
i
(1.21)
Dmin.
Ti - lực ngang tiêu chuẩn của một bánh xe cầu trục do hãm,
T 1
T o n
o
(1.22)
To- lực ngang tác dụng toàn cầu trục:
xc
' xc
33
T o
f (Q G )n n
xc
(1.23)
Q - sức trục của cầu trục, tính theo đơn vị lực;
Gxc - trọng lượng xe con;
nxc - tổng số bánh xe của xe con;
n’xc - số bánh xe hãm, thông thường n’xc= 0,5nxc;
k1 - hệ số ma sát, được lấy như sau: k1 = 0,1 đối với móc mềm; k1 = 0,2 đối với
2
t
H
H
T
T
D max
D min
1
M max
Mmin
d
e
e
H
H + 3 H
móc cứng.
Hình 1.23. Sơ đồ tính khung với tải trọng cầu trục tác dụng
3.2.3. Tải trọng tạm thời trên mái
Gồm trọng lượng do người và thiết bị, vật liệu dùng để sửa chữa mái khi hư hỏng
= 0,3kN/m2 với hệ số độ tin cậy của tải trọng là 1,3.
p = p .B.cos o
p = p .B.cos o
H
H
được lấy theo TCVN 2737-1995. Trị số tiêu chuẩn lấy, ptc
Hình 1.24. Sơ đồ tính khung với tải trọng tạm thời trên mái tác dụng
3.2.4. Tải trọng gió
Tải trọng gió tác dụng vào khung ngang phụ thuộc vào địa điểm xây dựng và
hình dáng công trình, việc xác định giá trị áp lực gió dựa vào Tiêu chuẩn tải trọng và
tác động TCVN 2737-1995.
Áp lực gió lên khung ngang thông qua bề mặt cản là tường dọc và mái, chúng
được đưa về phân bố đều trên cột khung và xà mái.
34
a) Tải trọng gió tính toán tác dụng lên cột khung (chiều cao cột khung H 10m)
Tải trọng gió tác dụng lên cột khung.
q
n.c .k.w .B
d
o
e
phía đón gió (1.24)
q
n.c .k.w .B
h
e3
o
phía hút gió (1.25)
trong đó:
n - hệ số độ tin cậy của tải trọng gió, n = 1,2;
B – bề rộng diện truyền tải trọng gió vào khung (bước khung), m;
ce, ce3 - hệ số khí động phụ thuộc vào hình dạng nhà;
k - hệ số kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao, phụ thuộc dạng địa hình;
wo - áp lực gió tiêu chuẩn, lấy theo phân vùng áp lực gió (địa điểm xây dựng).
b) Tải trọng gió tính toán tác dụng lên cột khung (chiều cao cột khung H > 10m)
Với chiều cao nhà (H > 10m), áp lực gió phân bố theo quy luật hình thang, để
tiện trong tính toán thực hành có thể quy đổi tải trọng gió phân bố không đều thành
phân bố đều trên suốt chiều cao cột, bằng cách nhân tải trọng tính toán qđ và qh ở độ
cao H 10m với hệ số quy đổi H, H được lấy như sau:
H = 1,04 khi chiều cao cột khung 10m < H 15m,
H = 1,10 khi chiều cao cột khung 15m < H 20m.
c) Tải trọng gió tác dụng lên mái
Tải trọng gió tác dụng lên xà mái của khung.
q
n.c .k.w .B
e1
o
(1.26) phía đón gió m1
q
n.c .k.w .B
e2
o
q m1
q m2
q m2
q m1
q d
q h
q h
q d
(1.27) phía hút gió m 2
Hình 1.25. Sơ đồ tính khung với hoạt tải gió tác dụng
3.3. Tính nội lực khung và tổ hợp nội lực
3.3.1. Tính nội lực khung
35
Sử dụng phần mềm thương mại SAP 2000 để phân tích kết cấu khung ngang, có
thể sử dụng các tài liệu hoặc sử dụng trang Web về hướng dẫn chạy SAP 2000 ở trang
google youtube, rồi đánh từ khóa sau “Hướng dẫn chạy SAP2000 khung thép nhà
Zamil”.
Qua đó, ta xác định được nội lực các đầu phần tử thanh ứng với các trường hợp
chất tải. Đồng thời, cho các biểu đồ nội lực, gồm mô men (M), lực dọc (N), lực cắt
(V), và biểu đồ chuyển vị ngang của khung tương ứng với các trường hợp chất tải.
Hình 1.26. Tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm SAP 2000
Hình 1.27. Tính nội lực khung thép (theo sơ đồ không gian và phẳng)
3.3.2. Tổ hợp nội lực
Từ kết quả tính toán nội lực như trên ta tiến hành lập bảng tổ hợp nội lực để tìm
ra trường hợp nội lực bất lợi nhất dùng để tính toán tiết diện khung. Với cột ta xét 4 vị
trí tiết diện: đầu cột, vai cột (2 tiết diện – trên vai và dưới vai), chân cột. Với xà ngang
ta xét 3 vị trí tiết diện: đầu xà, 1/3 xà, đỉnh xà. Tại mỗi tiết diện có các trị số mô men
(M), lực dọc (N) và lực cắt (V). Nội lực trong khung ngang được xác định với từng
trường hợp chất tải bằng phần mềm thương mại SAP2000. Kết quả tính toán được thể
hiện dưới các biểu đồ.
Khi tiến hành tổ hợp nội lực, cần tuân thủ một số nguyên tắc cơ bản sau:
- Nội lực do tải trọng thường xuyên cần kể đến trong mọi trường hợp.
36
- Không được xét đồng thời nội lực do Dmax và Dmin ở cùng một phía cột.
- Nếu kể đến nội lực do hãm ngang T thì phải kể đến nội lực do áp lực đứng
Dmax, Dmin. Ngược lại, có thể kể đến nội lực do áp lực đứng Dmax, Dmin mà không cần
kể đến nội lực do lực hãm ngang T.
- Nội lực do áp lực đứng Dmax xét ở phía nào thì nội lực do lực hãm ngang T phải
kể đến ở phía cột đó.
Cần xét hai loại tổ hợp cơ bản:
- Tổ hợp cơ bản 1: gồm nội lực do tải trọng thường xuyên và một tải trọng tạm
thời gây ra, hệ số tổ hợp nội lực nc = 1,0.
- Tổ hợp cơ bản 2: gồm nội lực do tải trọng thường xuyên và các tải trọng tạm
thời bất lợi, trị số của nội lực do các tải trọng tạm thời gây ra cần nhân với hệ số tổ hợp
nội lực nc = 0,9.
Tại một tiết diện đặc trưng, cần tìm 3 cặp nội lực sau:
(Mmax, Ntư); (Mmin, Ntư); (Mtư, Nmax);
Kết quả cụ thể được ghi trong bảng tổ hợp.
3.3.3. Các trường hợp chất tải khung - ví dụ minh họa
2,05 kN/m
8,22 kN
8,22 kN
6,3 kN
6,3 kN
3,15 kNm
3,15 kNm
a) Tải trọng thường xuyên đặt trên xà ngang
Hình 1.28. Tải trọng thường xuyên đặt trên xà ngang (tĩnh tải)
178,5 kN
53,3 kN
53,3 kN
178,5 kN
89,25 kNm
26,65 kNm
26,65 kNm
89,25 kNm
b) Tải trọng cầu trục
Hình 1.29. Áp lực đứng cầu trục lên cột trái và cột phải
6,285 kN
6,285 kN
37
Hình 1.30. Áp lực ngang cầu trục lên cột trái và cột phải
2,35 kN/m
2,35 kN/m
c) Tải trọng tạm thời trên mái
Hình 1.31. Tải trọng tạm thời trên mái (nửa trái và nửa phải)
2,19 kN/m
2,74 kN/m
2,74 kN/m
2,19 kN/m
/
/
/
/
m N k 7 4 , 5
m N k 2 4 , 3
m N k 2 4 , 3
m N k 7 4 , 5
d) Tải trọng gió
Hình 1.32. Tải trọng tạm thời do gió (gió trái và gió phải)
2
2
1
1
H
H
z
z
x
x
L (a)
L (b)
3.4. Kiểm tra sơ bộ chuyển vị khung ngang
Hình 1.33. Sơ đồ vị trí kiểm tra chuyển vị khung ngang
(1 – vị trí kiểm tra chuyển vị ngang; 2 – vị trí kiểm tra chuyển vị đứng; a – chuyển vị
khung do tải trọng thường xuyên; b – chuyển vị khung do gió trái)
38
3.4.1. Chuyển vị ngang ở đỉnh cột
(1.28) x [x]
trong đó:
x - chuyển vị ngang ở đỉnh cột trong khung nhà công nghiệp một tầng gây ra bởi
tổ hợp tải trọng thường xuyên và tải trọng gió tiêu chuẩn;
[x] - chuyển vị ngang ở đỉnh cột cho phép, lấy bằng H/100 - trong trường hợp
nhà không có cầu trục, và khi tường bao che bằng tấm tôn kim loại; lấy bằng H/300 -
trong trường hợp nhà có cầu trục chế độ làm việc nhẹ hoặc trung bình.
3.4.2. Chuyển vị đứng ở đỉnh khung (xem xét trong trường hợp có yêu cầu)
(1.29) z [z]
trong đó:
z - chuyển vị đứng ở đỉnh khung nhà công nghiệp một tầng gây ra bởi tổ hợp tải
trọng tiêu chuẩn bất lợi nhất;
[z] - chuyển vị đứng ở đỉnh khung cho phép, lấy bằng L/400.
Lưu ý:
- Khi tính khung bằng phần mềm SAP 2000, chuyển vị đứng và ngang của các
trường hợp chất tải ứng với tải trọng tính toán. Chuyển vị đứng và ngang do tải trọng
tiêu chuẩn được xác định thông qua tải trọng tính toán, bằng cách gần đúng là dùng
các giá trị chuyển vị tính được bằng phần mềm SAP 2000 rồi chia cho hệ số độ tin cậy
của tải trọng (trung bình) ứng với trường hợp chất tải tương ứng. Ví dụ, tính chuyển vị
]
(1.30)
x
x[
tx x 1, 05
gio x 1, 2
ngang tại đỉnh cột xác định theo công thức:
, - tương ứng là chuyển vị ngang tại đỉnh cột do tải trọng thường
tx x
gio x
Ở đây
xuyên và do tải trọng gió lấy theo kết quả SAP 2000 ứng với tải trọng tính toán.
- Nếu các điều kiện (1.28) hoặc (1.29) không thỏa mãn thì cần điều chỉnh lại kích
thước tiết diện, sơ đồ tính kết cấu và kiểm tra lại cho đến khi thỏa mãn.
39
kg
R
oR
T
T
3.5. Sự làm việc không gian của nhà (tự đọc tài liệu)
Hình 1.34. Ảnh hưởng giằng mái đến sự làm việc không gian
Khi xác định chuyển vị ngang ở nút khung có thể kể đến làm việc đồng thời các
khung phẳng; khi khung không đứng riêng lẻ, giữa chúng có các liên kết dọc nhà như
hệ giằng, mái cứng, dầm cầu trục. Vì vậy, khi tải trọng tác dụng lên khung nào đó, các
khung lân cận cũng tham gia chịu lực.
3.5.1. Ảnh hưởng của hệ giằng dọc
Hệ giằng dọc được tính như dầm liên tục gối trên gối tựa đàn hồi dưới tác dụng
của Ptđ (Ptđ - tổng lực cục bộ lên cột đưa về tại cao trình giằng).
tdP
(1.31)
trong đó:
- chuyển vị khung do lực đơn vị tác dụng cao trình giằng dọc,
M
i-2M
i-1M
iM
i+1
i+2M
i-2
i-1
i+1
i+2
i P
B
B
B
B
- chuyển vị khung do tác dụng của tải trọng.
Hình 1.35. Sơ đồ tính hệ giằng dọc
Khi tính khung kể đến sự làm việc không gian của nhà, chuyển vị đầu khung sẽ
R
và lực đặt lên khung
kg
kg
P kg td
i
giảm đi: .
1)
'(
1
(1.32)
kg
trong đó:
3.5.2. Ảnh hưởng của mái cứng
Khi kể đến ảnh hưởng của mái cứng đến sự làm việc không gian của nhà, chuyển
vị đầu cột sẽ giảm đi:
40
với
kg
kg
kg
2 l 2 2 2l k
1 m n
(1.33)
m - hệ số kể đến sự biến dạng của mái cứng,
+ m = 0,9, nhà một nhịp có cửa trời.
+ m = 0,95, nhà hai ba nhịp có hoặc không có cửa trời.
- tỷ số giữa lực tác dụng lên khung thứ hai với lực tác dụng lên cả ba khung:
P / D
max
.
41
BÀI 4. THIẾT KẾ CẤU KIỆN VÀ CHI TIẾT LIÊN KẾT
4.1. Cấu tạo và tính toán cột
Cột tiết diện không thay đổi, cột tiết diện thay đổi (cột bậc); Tiết diện cột có thể
đặc hoặc rỗng. Cột đặc dùng khi sức trục Q = 15 -20 tấn, chiều cao nhà đến đỉnh cột H
< 10m, và gia công, chế tạo rất đơn giản; Cột rỗng dùng khi cầu trục có sức nâng lớn
và tiết diện hợp lý hơn về mặt chịu lực.
Hình 1.36. Hình ảnh minh họa cột đặc tiết diện không đổi
4.1.1. Chiều dài tính toán cột
Chiều dài tính toán của cột khung có liên quan đến việc tính toán kiểm tra ổn
định. Do cột khung làm việc theo hai phương nên cần xác định chiều dài tính toán theo
phương ngang nhà (trong mặt phẳng khung) và theo phương dọc nhà (ngoài mặt phẳng
khung). Xét hai trường hợp là cột tiết diện không đổi và cột vát.
a) Cột tiết diện không đổi
- Chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung (Lx) của cột được xác định theo
.H (1.34)
xL
công thức:
trong đó:
H - chiều dài thực tế của cột, tính từ mặt móng đến đỉnh cột;
- hệ số chiều dài tính toán,
Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575:2012, đối với khung một nhịp có liên
kết giữa cột với xà ngang là cứng, hệ số xác định như sau:
- Trường hợp liên kết cột khung với móng là khớp:
2 1
0,38 n
(1.35)
42
- Trường hợp liên kết cột khung với móng là ngàm:
n 0,56 n 0,14
(1.36)
trong đó:
n - tỷ số độ cứng đơn vị của xà và cột.
n
I xa L
I cot H
I H xa . L I
:
cot
(1.37)
Ixa, Icot - mômen quán tính của tiết diện xà và cột.
- Chiều dài tính toán ngoài phẳng khung (Ly) được lấy bằng khoảng cách giữa
các điểm cố định không cho cột chuyển vị dọc theo phương dọc nhà (các điểm cố định
chính là vị trí giằng cột, dầm cầu trục).
b) Cột vát (chiều cao tiết diện thay đổi đều)
- Theo Tiêu chuẩn TCVN 5575:2012, chiều dài tính toán trong mặt phẳng khung
(Lx) của cột vát được xác định theo công thức:
L
.H
x
. 1
(1.38)
trong đó:
- hệ số chiều dài tính toán, xác định tương tự như trường hợp cột có tiết diện
không đổi.
1 - hệ số chiều dài tính toán bổ sung, xác định theo Bảng 1.1.
Bảng 1.1. Bảng xác định hệ số chiều dài tính toán bổ sung
Sơ đồ thanh L1/L Khi tỷ số Imin/Imax bằng
I max
I min
0,01 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
I max
I min
1,35 1,24 1,14 1,08 1,02 1,00 - -
- - 1,66 1,45 1,24 1,14 1,06 1,00
0,0 1,69 1,35 1,25 1,14 1,08 1,03 1,00
1
0,2 1,45 1,22 1,15 1,08 1,05 1,02 -
I max
I min
0,4 1,23 1,11 1,07 1,04 1,02 1,01 -
0,6 1,07 1,03 1,02 1,01 1,01 1,00 -
0,8 1,01 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 -
43
- Chiều dài tính toán ngoài phẳng khung (Ly) của cột vát được xác định tương tự
I
I
H
H
I
I
(a)
(b)
như đối với cột tiết diện không đổi.
Hình 1.37. Sơ đồ xác định chiều dài tính toán của cột khung
(a – khung có cấu kiện tiết diện không đổi; b – khung có cấu kiện tiết diện thay đổi)
4.1.2. Chọn và kiểm tra tiết diện cột đặc
a) Các hình thức tiết diện
Hình thức tiết diện cột rất đa dạng, có loại cột đặc, cột rỗng được tổ hợp từ thép
tấm với thép tấm, thép tấm với thép hình hoặc thép hình với thép hình (kết cấu thép I –
Phần cấu kiện cơ bản, đã đề cập). Trong nội dung này chỉ trình bày cho việc chọn và
kiểm tra tiết diện cột đặc tiết diện chữ H, tổ hợp hàn từ các bản thép.
b) Chọn kích thước tiết diện (4 thông số: h, tw, bf, tf)
- Từ bảng tổ hợp nội lực, chọn trong các cặp nội lực (Mmax, Ntư; Mmin, Ntư; Mtư,
N
N M h 2
c 1
c1
x
x
x
o b
s b
w t
w t
y
y
y
y
f
f
f
y
y
b
b
b
w t
s b
o b
w
w
w
ft
ft
ft
ft
ft
ft
x h h
x h h
x h h
(a)
(c)
(b)
lớn nhất. Nmax), sao cho trị số
Hình 1.38. Tiết diện cột chữ I
(a – tiết diện cột; b – tiết diện cột khi bản bụng mất ổn định cục bộ; c – tiết diện có
sườn ngang gia cường)
- Diện tích tiết diện yêu cầu của cột, tính theo công thức:
A
yc
M x h.N
N 1, 25 (2,2 2,8) f c
(1.39)
- Chiều cao tiết diện cột chọn sơ bộ:
44
h
1/15 1/ 20 H
(1.40)
- Kích thước bản cánh và bản bụng chọn theo điều kiện cấu tạo và ổn định cục
bộ:
b
f / E
t
1/ 70 1/100 H 0,6cm
w
wt
f
(1.41) , f t , f t
0,3 0,5 H
b
1/ 20 1/ 30 l
fb
f
y
, (1.42)
c) Kiểm tra tiết diện
A = tw.hw + 2.tf.bf (1.43)
3
0,5.(b
t )h w
3 w
(1.44)
Ix=
b .h f 12
f 12
2
3 f
(1.45)
Iy =
2
t .b f 12
(1.46)
3 h .t w w 12 Wx= xI .2 h
(1.47)
ix =
xI A
(1.48)
iy =
yI A
< []=120 (1.49)
l x = x i x
< []=120 (1.50)
l y = y i
y
x
(1.51)
x
f E
y
(1.52)
y
f E
(1.53)
mx =
M A . N W x
Cần xác định các đặc trưng hình học của tiết diện đã chọn:
x
f
(1.54)
c
MN A W
n
nx
(1) Kiểm tra bền: Công thức kiểm tra,
trong đó:
An, Wn – diện tích và mô men chống uốn thực của tiết diện cột.
45
Cần lưu ý là điều kiện (1.54) chỉ kiểm tra đối với những cột bị giảm yếu nhiều
hoặc khi độ lệch tâm quy đổi me > 20.
(2) Kiểm tra ổn định tổng thể: Ổn định tổng thể của cột theo hai phương trong và
ngoài mặt phẳng khung được kiểm tra theo công thức sau,
f
c
N A
e
(1.55)
f
c
N c A y
(1.56)
trong đó:
e – hệ số uốn dọc của cấu kiện chịu nén lệch tâm;
y – hệ số uốn dọc của cấu kiện chịu nén đúng tâm;
c – hệ số xét đến ảnh hưởng của mô men uốn và hình dạng của tiết diện đến khả
năng ổn định ngoài mặt phẳng của cột:
c
xm 5 , (1.57)
1 m
x
1
, khi
c
xm 10
y
1 m
x
b
, khi , (1.58)
c
, khi
5 m 10 x
c 2 0,2m 5
x
c 10
0,2m 1 x
, (1.59)
c5 - xác định theo công thức trên ứng với mx = 5;
c10 - xác định theo công thức trên ứng với mx = 10;
, - hệ số tra bảng theo Tiêu chuẩn TCVN 5575:2012;
b – hệ số xác định như đối với dầm thép khi kiểm tra ổn định tổng thể:
0,85
khi 1
b
1
;
0,85
0,68 0,21
khi
b
1
1
,
mx - độ lệch tâm tính đổi;
- hệ số ảnh hưởng hình dạng tiết diện.
Cần luy ý, độ lệch tâm tương đối mx trong công thức (1.57) đến (1.59) được tính
2
toán với trị số mô men quy ước M’ xác định như sau:
M ' max M;
M M 1 ; 2 2
(1.60)
trong đó:
46
M1, M2 – trị số của mô men uốn ở hai đầu cột (hoặc đoạn cột) khảo sát trong
M - trị số mô men tại 1/3 chiều cao cột (hoặc đoạn cột) kể từ phía có mô men
cùng tổ hợp tải trọng với tổ hợp dùng để kiểm tra tiết diện cột;
lớn hơn. M được xác định cùng tổ hợp tải trọng với M1, M2;
(3) Kiểm tra ổn định cục bộ:
o
o
Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh cột theo công thức:
b t
b t
f
f
(1.61)
trong đó:
b
t
f
w
bo – bề rộng tính toán của bản cánh,
b
o
2
(1.62)
4
:
bo/tf – độ mảnh giới hạn của bản cánh cột, xác định như sau đối với cột tiết diện
0
(1.63)
(0,36 0,1. )
b t
E f
f
0,8
0,8
chữ I có 0,8
4 thì lấy
4 để
Lưu ý rằng công thức (1.63) nếu hoặc hoặc
tính toán. Trường hợp (1.61) không thỏa mãn, cần điều chỉnh lại tiết diện bản cánh.
w
w
Kiểm tra ổn định cục bộ của bản bụng cột theo công thức:
h t
h t
w
w
(1.64)
bo/tf – độ mảnh giới hạn của bản bụng cột, xác định theo Bảng 1.2.
Bảng 1.2. Bảng tra độ mảnh giới hạn của bản bụng
w
h t
w
2
Loại tiết diện cột Công thức tính
<2,0
(1,3 0,15 ) E / f
2
2,0
(1,2 0,35 ) E / f
Chữ I
, 2,3 E / f
Trường hợp khả năng chịu lực của cột được quyết định bởi điều kiện ổn định
tổng thể trong mặt phẳng uốn (1.55) thì cho phép lấy trị số hw/tw lớn hơn giá trị trong
Bảng 1.2. Tuy nhiên, trong các điều kiện ổn định (1.55) và (1.56) cần thay bằng diện
47
tích tiết diện cột đã trừ phần bản bụng cột bị mất ổn định cục bộ (các đặc trưng hình
A = 2C1.tw + 2.tf.bf (1.65)
học khác vẫn giữ nguyên):
w
với C1 – bề rộng của phần bản bụng cột tiếp giáp với bản cánh.
C 0,85t
1
w
h t
w
(1.66)
h / t
2,3 E / f
w
thì cần gia cường cho bản bụng cột bằng các cặp Nếu tỷ số w
sườn ngang (vách cứng).
Sườn ngang được hàn vào bản cánh và bản bụng cột, với chiều cao đường hàn
theo yêu cầu cấu tạo.
s t
1
x
Kích thước sườn ngang lấy như
s b
1
y
w t
f
y b
sau:
s b
- Bề rộng sườn:
b
h / 30 40mm
s
w
x h
w
ft
ft
(hai bên)
b
h / 24 50mm
s
w
w h ) 3 - 5 , 2 (
h A-A
30
(một bên)
1
A
A
0 3
s b
- Bề dày sườn:
2b
f / E
s
s t
h w
; s t
- Khoảng cách sườn:
a = (2,5 – 3)hw. Hình 1.39. Bố trí sườn ngang
(4) Kiểm tra chuyển vị ngang ở đỉnh cột:
Việc kiểm tra này được thực hiện theo mục 3.4. Theo Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu
thép TCVN 5575:2012, chuyển vị ngang (x) ở đỉnh cột khung nhà công nghiệp một
tầng gây ra bởi tải trọng gió tiêu chuẩn không được vượt quá các giá trị sau:
+ Nhà không có cầu trục, có tường bao che là tấm tôn kim loại,
x
H 100
(1.67)
+ Nhà có cầu trục chế độ làm việc nhẹ hoặc trung bình,
x
H 300
(1.68)
Chú ý: Việc xác định chuyển vị ngang lớn nhất ở đỉnh cột từ phần mềm SAP
2000 cho trường hợp tải trọng thường xuyên và tải trọng gió cần lấy tương ứng đối với
48
tải trọng tiêu chuẩn, hoặc nếu lấy chuyển vị đỉnh cột đối với tải trọng tính toán thì phải
chia cho hệ số độ tin cậy của tải trọng tương ứng.
4.1.3. Kiểm tra ổn định tổng thể cột tiết diện vát (tham khảo)
Tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 không chỉ dẫn cách kiểm tra ổn định tổng thể của
cột vát, dưới đây giới thiệu cách tính theo tác giả “Катюшин В. В.” người Nga.
a) Khi tính khung với sơ đồ không biến dạng
Khi tính khung với sơ đồ không biến dạng, ổn định tổng thể của cột kiểm tra theo
N
công thức:
N
cr,e k
e
(1.69)
trong đó:
N– lực dọc của cột;
2
Ncr,e – lực tới hạn Ơ le (có kể đến ảnh hưởng của mô men uốn).
N
cr,e
M2
EI max k ( H)
(1.70)
Imax – mô men quán tính của tiết diện lớn hơn, ở đỉnh cột;
M – hệ số kể đến ảnh hưởng của mô men uốn đến ổn định khung, M = 0,9 -
0,95;
1
(1.71)
I max I
min
l
x
k - hệ số điều chỉnh, lấy theo Bảng 1.3, phụ thuộc tham số,
i
E f
max
, ke – hệ số độ tin cậy, ke = 1,25 + 13/ , với
imax – bán kính quán tính của tiết diện đầu cột.
Bảng 1.3. Hệ số điều chỉnh k
0 0,05 0,10 0,20 0,50 1,00 2,00 3,00 6
1,00 0,88 0,84 0,79 0,73 0,68 0,64 0,61 0,60 k
b) Khi tính khung với sơ đồ biến dạng (tự đọc tài liệu)
Việc kiểm tra ổn định tổng thể cột một cách chính xác hơn, theo sơ đồ biến dạng.
Khi đó, tính nội lực (Ni, Mi) ở một số tiết diện cột. Tại tiết diện thứ i của cột, kiểm tra
ứng suất theo công thức sau:
i
i
f .
(1.72)
c
M N M i A W W x,i
i
x,i
49
Ai, Wi – diện tích tiết diện và mô men chống uốn của tiết diện thứ i;
Mi – mô men uốn tăng thêm do ảnh hưởng của lực dọc N khi cột biến dạng,
M N .y
i
i
i
(1.73)
yi – tổng độ võng tại tiết diện i do mô men uốn, do lực dọc, do độ võng ban đầu
và độ lệch tâm của lực dọc, yi = y1 + y2 + y3.
2
2 c
Độ võng y1 do mô men uốn (Hình 1.40):
y 1
MH 6EI
1, 4 0, 4c 3 c
max
(1.74)
với c = Imin/Imax và = xi/H.
xi – khoảng cách từ tiết diện (nhỏ) chân cột đến tiết diện thứ i.
Hình 1.40. Đồ thị quan hệ giữa y và c của cột vát
Theo đồ thị Hình 1.40, khi hệ số c giảm, độ võng của tiết diện giữa cột tăng lên.
Độ võng ban đầu và lệch tâm của lực dọc, gần đúng xác định theo công thức:
y
y sin(
)
3
0
1 0,4 c
(1.75)
y
0
iH 750
max 20
(1.76)
Độ võng do lực dọc, y2
y
y
2
y 1
3
N
N
N
cr,1
(1.77)
N
cr,1
EI max 2 L x
(1.78)
Thực nghiệm cũng chỉ ra rằng, kiểm tra theo công thức (1.69) lệch so với cách
tính theo công thức (1.72) khoảng (10- 12)%
50
4.2. Cấu tạo và tính toán xà
Từ bảng tổ hợp nội lực, chọn các cặp nội lực gây nguy hiểm để tính toán.
Thường chọn cặp nội lực tại các tiết diện hai đầu xà và tại chỗ thay đổi tiết diện.
4.2.1. Chọn tiết diện
Do tại mỗi tiết diện của xà ngang đều có mô men uốn và lực dọc (thường là lực
nén) cùng tác dụng, nên tiết diện xà có thể chọn sơ bộ theo các điệu kiện đối với cấu
kiện chịu uốn (tương tự dầm tổ hợp hàn) và được kiểm tra theo điều kiện bền của cấu
kiện chịu nén uốn. Xác định sơ bộ kích thước tiết diện, gồm: chiều cao tiết diện (h),
chiều dày bản bụng (tw) và chiều rộng bản cánh (bf) và chiều dày bản cánh (tf).
Mô men chống uốn cần thiết của tiết diện có thể xác định theo công thức:
yc W x
M x max f .
c
(1.79)
Chiều cao của tiết diện xác định từ điều kiện tối ưu về chi phí vật liệu:
h
k
kt
yc W x t
w
(1.80)
trong đó:
k - hệ số cấu tạo, lấy k = 1,20 1,15 với tiết diện dầm tổ hợp hàn;
tw - chiều dày bản bụng xà, chọn sơ bộ tw = (0,6 – 1,2)cm.
Chiều dày bản bụng tiết diện xác định từ điều kiện chịu cắt:
t
0,6cm
w
V3 max 2 h.f . v
c
(1.81)
Diện tích tiết diện cần thiết của bản cánh có thể xác định theo công thức:
yc A (b t ) W f f x
f
h 2
3 t h w w 12
2 2 h f
y
(1.82)
f t
Theo các điều kiện cấu tạo và ổn định cục bộ, kích
thước tiết diện bản cánh được chọn như sau:
f
w
x
x
h
h h
t w
- Chiều dày bản cánh thường lấy tf = (10 20)mm.
- Chiều dày bản cánh đảm bảo ổn định cục bộ của
f t
y
f
cánh nén:
bf
b t
E f
f
(1.83)
Hình 1.41. Tiết diện xà
51
- Các điều kiện khác:
b
30t
180mm
b
h
f
f
fb
f
1 5
1 2
, ; (1.84)
4.2.2. Kiểm tra tiết diện
Do xà ngang trong kết cấu khung thép nhẹ có độ dốc nhỏ nên ảnh hưởng của lực
dọc đến ứng suất trong tiết diện thường không đáng kể so với mô men uốn (có độ lệch
tâm quy đổi me > 20). Vì vậy, tiết diện đã chọn được kiểm tra bền theo công thức
(1.54).
Tại tiết diện đầu xà có mô men uốn và lực cắt cùng tác dụng nên cần kiểm tra
3
1,15.f .
ứng suất tương đương tại chỗ tiếp xúc giữa bản cánh với bản bụng:
2 1
2 1
td
c
(1.85)
1
1
hM w W h x
V.S f .t x w
trong đó: và
Sf - mômen tĩnh của một cánh dầm đối với trục trung hòa x-x.
Do khoảng cách bố trí xà gồ (lo) không lớn, nên tỷ số lo/bf không vượt quá trị số
giới hạn xác định theo công thức mục 5.2.2 của Tiêu chuẩn TCVN 5575:2012. Vì vậy,
điều kiện ổn định tổng thể của xà không cần kiểm tra. Các điều kiện ổn định cục bộ
của bản cánh và bản bụng xà ngang được kiểm tra tương tự đối với dầm thép thông
0
0,5
thường:
b t
E f
f
w
3, 2
(1.86)
w
f E
h t
w
(1.87)
w
b0 – bề rộng tính toán của cánh chịu nén, bo = 0,5(bf – tw);
- độ mảnh quy ước của bản bụng. Trường hợp không thỏa mãn điều kiện theo công thức (1.86) cần điều chỉnh lại
tiết diện bản cánh. Nếu (1.87) không thỏa mãn, cần tăng cường bản bụng bằng các
w
sườn cứng tương tự như đối với cột. Ngoài ra, nếu > 2,5 cần kiểm tra các ô bản
bụng theo quy định ở điều 5.6.1 của Tiêu chuẩn TCVN 5575:2012.
4.2.3. Kiểm tra ổn định tổng thể xà ngang tiết diện vát
52
Kiểm tra ổn định tổng thể của xà vát là phức tạp, không có trong tiêu chuẩn thiết
kế, trong thực tế cần bố trí hệ giằng mái để đảm bảo ổn định tổng thể cho xà. Cụ thể là
0
f
f
f
khoảng cách L0 giữa các điểm giằng cánh trên của xà ngang phải thỏa mãn điều kiện:
0, 41 0,0032
0, 73 0,016
L b
b t
b t
b h
E f
f
f
f
f
(1.88)
trong đó:
bf, tf – chiều rộng, chiều dày của bản cánh;
hf – khoảng cách trọng tâm của hai cánh xà ngang.
Khi khung chịu tải gió bốc, cánh dưới của xà chịu nén nên phải có điểm ngăn cản
chuyển vị ngang cho cánh dưới. Một trong số các biện pháp hiệu quả là dùng thanh
chống bằng thép góc chống vào xà gồ. Khoảng cách hai điểm chống Lo phải thỏa mãn
biểu thức (1.88). Điểm nối thanh cánh vào xà gồ mái cách đầu xà gồ khoảng (680-
10-20
M12
0 1
M12
L50x5
680-800
PL-6
800)mm.
Hình 1.42. Thanh chống giữ ổn định cho cánh dưới xà khi khung chịu tải trọng gió
4.3. Cấu tạo và tính toán vai cột
4.3.1. Vai cột có cột dưới tiết diện đặc
Hình 1.43. Hình ảnh minh họa chi tiết vai cột
P
P
b
b
2
2
y
x
x
1 3
1 3
y
2
2
e
e
2
2
53
Hình 1.44. Chi tiết cấu tạo vai cột
(1 – bụng dầm vai; 2 – cánh trên và cánh dưới dầm vai; 3 – sườn gia cường)
a) Tác dụng của vai cột
Vai cột làm nhiệm vụ đỡ dầm cầu trục và truyền tải trọng cầu trục vào cột. Trong
khung thép nhẹ, vai cột (dầm vai) thường có tiết diện đối xứng chữ I tổ hợp hàn (Hình
1.44).
b) Tính toán vai cột
Sơ đồ tính vai cột là dầm công-xơn, có nhịp bằng khoảng cách tính từ trọng tâm
dầm cầu trục đến mép ngoài của cánh cột khung, chịu tải trọng tập trung do áp lực
đứng Dmax (phản lực lớn nhất của dầm cầu trục) và trọng lượng bản thân dầm cầu trục
y
Gdct truyền vào.
t
P
Nội lực trong dầm vai tại chỗ ngàm
e
x
x
h
h
với bản cánh cột xác định theo công thức
t
của Cơ học kết cấu, gồm mô men uốn (M)
M
t
y
và lực cắt (V):
h)
M (D
G )(L dct 1
max
V
b
(1.89)
G
V D
dct
max
(a)
(b)
(1.90)
dv
Hình 1.45. Sơ đồ tính và tiết diện dầm vai
wh ) có thể chọn từ điều kiện chịu lực của hai
Chiều cao của bản bụng dầm vai (
đường hàn liên kết bản bụng dầm vai với cánh cột. Bề dày của bản cánh dầm vai có
54
= 10 20mm, còn bề rộng bản cánh dầm vai chọn phụ thuộc vào bề thể chọn sơ bộ dv ft
rộng bản cánh cột.
Bề dày bản bụng dầm vai được xác định từ điều kiện ép mặt cục bộ do phản lực
D
dầm cầu trục truyền vào:
t
f .
c
dv w
D b
2t
dct t
b
2t
dct f .
max
max
dct
G dv f
dv w
dct
c
G dv f
rút ra, (1.91)
dv
trong đó:
wt
- chiều dày bản bụng dầm vai;
bdct - bề rộng sườn gối dầm cầu trục, lấy theo phần thiết kế dầm cầu trục hoặc
dv
chọn sơ bộ, bdct=20 30cm;
ft
= 10 20mm; - chiều dày bản cánh dầm vai, chọn sơ bộ dv ft
fc - cường độ tính toán về ép mặt của thép.
Tiết diện dầm vai đã chọn cần kiểm tra theo các điều kiện bền uốn, bền cắt và
f .
(1.92)
c
M dv W x
ứng suất tương đương tại chỗ ngàm với bản cánh cột:
3 V dv 2 h .f . w v
c
1,15.f .
2 1
2 1
td
(1.94) c
(1.93) dv t w
dv w
trong đó:
1
1
hM dv W h x
dv
dv V.S f dv .t I x
w
dv
, (1.95)
xW , I
dv x
dv
wh - chiều cao bản bụng dầm vai;
dv
fS - mô men tĩnh của bản cánh dầm vai đối với trục trung hòa.
- mô men chống uốn và mô men quán tính của tiết diện dầm vai;
Ngoài ra, còn kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng dầm
vai, việc kiểm tra tương tự như đối với tiết diện dầm thép tổ hợp hàn thông thường.
Chiều cao đường hàn góc liên kết dầm vai vào cột được chọn sơ bộ dựa vào
quan niệm, coi lực cắt do các đường hàn ở bản bụng chịu, còn mômen do các đường
hàn ở cánh chịu. Các đường hàn được kiểm tra bền theo điều kiện:
2
2
55
.f
.
td
w
c
min
V A
M W w
w
(1.96)
trong đó:
Aw, Ww - diện tích tiết diện và mômen chống uốn của các đường hàn góc liên kết
cánh và bụng dầm vai với cánh cột.
4.3.2. Vai cột có cột dưới tiết diện rỗng (tự đọc tài liệu)
Hình 1.46. Hình ảnh minh họa vai cột có cột dưới tiết diện rỗng
56
4.4. Cấu tạo và tính toán chân cột
Căn cứ vào giải pháp liên kết chân cột với móng, có hai giải pháp chính được lựa
chọn đó là: Chân cột liên kết khớp với móng và chân cột liên kết ngàm cứng với
móng. Việc lựa chọn giải pháp liên kết căn cứ vào nền đất, khả năng chế tạo, và tính
kinh tế của giải pháp v.v… Dưới đây, trình bày cấu tạo và tính toán cho hai loại chân
cột, với tiết diện cột đặc chữ H tổ hợp hàn.
4.4.1. Tính toán bản đế
a) Trường hợp chân cột liên kết khớp với móng
- Từ bảng tổ hợp nội lực, chọn cặp nội lực tính toán gây nén lớn nhất tại tiết diện
chân cột.
- Chọn phương án cấu tạo chân cột, chọn kích thước bản đế thỏa mãn điều kiện
về ép mặt cục bộ của bê tông móng và điều kiện về cấu tạo chân cột.
- Diện tích bản đế được xác định theo công thức:
(A )
bd yc
(B L ) bd
bd yc
N R
b.loc
(1.97)
trong đó:
N - lực dọc tính toán chân cột;
- hệ số phụ thuộc vào đặc điểm phân phối tải trọng cục bộ trên diện tích ép
mặt, = 1 khi ứng suất nén trong bê tông móng phân bố đều, = 0,75 khi ứng suất
nén trong bê tông móng phân bố không đều;
Rb.loc - cường độ tính toán chịu nén cục bộ của bê tông móng,
Rb.loc = bRb (1.98)
- hệ số phụ thuộc vào cấp bền của bê tông, =13,5Rbt/Rb; = 1,0 khi cấp bền
bê tông không quá B25;
Rn - cường độ chịu nén tính toán của bê tông;
m
3
b – hệ số tăng cường độ của bê tông khi nén cục bộ,
b
A A
bd
(1.99)
Am - diện tích mặt móng;
Abd - diện tích bề mặt bản đế;
N
N
2
st
s h
1
3
3
d b
d b
t
t
1 c
1 c
s l
st
b
b
d b B
d b B
1 c
1 c
c
c
c 2
2
c 2
2
bd
bd
h L
h L
(a)
(b)
57
Hình 1.47. Cấu tạo chân cột liên kết khớp với móng
(1 – bản đế; 2 – sườn; 3 – bu lông neo)
- Kích thước tiết diện bản đế:
Dựa vào (Abd)yc theo công thức (1.97) và hình dạng tiết diện cột, chọn ra chiều
dài bản đế (Lbd) và bê rộng bản đế (Bbd) sao cho thỏa mãn điều kiện:
R
b.loc
N L .B bd
bd
(1.100)
Với - ứng suất phản lực trong bê tông móng dưới bản đế chân cột.
Bề dày của bản đế xác định từ điều kiện bền uốn của bản đế chịu ứng suất phản
lực của bê tông móng, coi là phân bố đều. Bề dày bản đế chọn không nhỏ hơn 12mm.
Trường hợp bề dày bản đế quá lớn cần cấu tạo thêm sườn đế. Bu lông neo chọn theo
yêu cầu cấu tạo, đường kính (20-24)mm. Số lượng bu lông thường chọn 2 hoặc 4 cái,
tùy theo kích thước chân cột.
b) Trường hợp chân cột liên kết ngàm với móng
Cấu tạo chân cột liên kết ngàm với móng trong khung thép nhẹ thường bao gồm
bản đế, dầm đế và có thể thêm các sườn. Các dầm đế và sườn có tác dụng phân đều nội
lực chân cột xuống bản đế, đồng thời giảm được kích thước các ô bản đế từ đó giảm
được bề dày của bản đế. Hình 1.48 dưới đây thể hiện hai phương án cấu tạo chân cột,
58
tùy thuộc vào độ lệch tâm e = M/N. Hình 1.48a áp dụng cho trường hợp e Lbd/6
(không có vùng kéo trong bê tông móng), Hình 1.48b áp dụng cho trường hợp e >
M
M
N 2
4
N 2
4
d d h
d d h
st
st
s h
s h
3
3
2 3
1
d b
d b
t
t
min
min
max
max
1 c
1 c
l
l
sst
sst
b
b
B
B
1 c
1 c
c
c
2
c 2
2
c 2
dd
dd
dd
dd
t
t
t
t
bd
bd
h L
h L
(a)
(b)
Lbd/6 (có vùng kéo trong bê tông móng).
Hình 1.48. Cấu tạo chân cột liên kết ngàm với móng
(1 – bản đế; 2 – sườn; 3 – bu lông neo; 4 – dầm đế)
Chiều rộng và chiều dài bản đế được chọn trước theo cấu tạo hình học chân cột:
Bbd = b + 2c1 (1.101)
2
Lbd = h + 2tdd + 2c2 (1.102)
L
bd
.R
.R
N
N
6M .R
2B . bd
b,loc
2B . bd
b,loc
B . bd
b,loc
(1.103)
Chiều dài bản đế thường không nên chọn vượt quá 30cm so với chiều cao tiết
diện cột để kích thước cổ móng không quá lớn. Các kích thước c1, c2, tbd có thể chọn
sơ bộ như sau: c1 = (5 - 10)cm; c2 = (10 - 15)cm; tbd = (0,8 – 1,2)cm.
Sau khi chọn được chiều dài bản đế (Lbd) và bề rộng bản đế (Bbd), cần kiểm tra
lại điều kiện chịu ép mặt cục bộ của bê tông móng:
R
b.loc
min
N B L bd
bd
6M 2 B L bd bd
(1.104) max
59
Bề dày bản đế chân cột cần được xác định từ điều kiện chịu uốn của bản đế do
ứng suất phản lực ở bê tông móng (lưu ý là ứng suất phản lực trong các ô bản đế phân
max
bố không đều, vì vậy để thiên về an toàn lấy giá trị ứng suất lớn nhất trong ô đang xét).
t
bd
6M f
c
(1.105)
trong đó:
M
d
(1.106)
i
2 i
b
i
Mmax – giá trị lớn nhất của mô men uốn trong các ô bản đế,
Mi – trị số mô men uốn trong ô bản đế thứ i;
di - nhịp tính toán của ô bản đế thứ i;
i - ứng suất phản lực của bê tông móng trong ô bản đế thứ i, xác định theo
(1.100) hoặc (1.104);
b - hệ số phụ thuộc tỷ số các cạnh và loại ô bản, tra Bảng 1.5 và Bảng 1.6.
Bảng 1.4. Thông số xác định kích thước ô bản
ô bản Ghi chú Giá trị d,
ô 1 (con sơn) d = c; = 0,5
ô 4 (bốn cạnh ngàm) a1 - cạnh ngắn ô bản d = a1; tra bảng (b1/a1)
ô 3 (ba cạnh liên kết) a2 - chiều dài biên tự do d = a2; tra bảng (b2/a2)
ô 2 (hai cạnh liên kết) Tương tự ô 3 b2 - dài cạnh liên kết
Bảng 1.5. Hệ số b đối với bản kê bốn cạnh
1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 2 > 2 b1/a1
0,048 0,055 0,063 0,069 0,075 0,081 0,100 0,125 b
Bảng 1.6. Hệ số b đối với bản kê ba cạnh (hai cạnh kề nhau)
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 2 > 2 b2/a2
b
a
2
1
2
a
c
2 b
b
1 a
2
(b)
(c)
(d)
(a)
0,060 0,074 0,088 0,097 0,107 0,112 0,132 0,133 b
Hình 1.49. Các kích thước ô bản đế trong công thức (1.106)
60
Trường hợp bề dày bản đế tính toán theo công thức (1.105) quá lớn, cần giảm
kích thước của ô bản đế bằng cách bố trí thêm sườn ngăn, từ đó giảm được mô men
uốn trong bản đế. Bề dày bản đế thường chọn khoảng (1,2 - 3)cm và không lấy nhỏ
hơn 1,2cm.
4.4.2. Tính toán dầm đế
Tùy thuộc vào cấu tạo chân cột được tính toán như dầm đơn giản hoặc dầm công
xơn, chịu tải trọng là ứng suất phản lực trong bê tông móng với diện truyền tải tương
ứng.
- Chọn sơ bộ kích thước của thép tấm làm dầm đế với bề dày theo yêu cầu cấu
tạo: tdd = (0,8 – 1,2)cm, bề rộng chọn bdd = Bdd, chiều cao của dầm đế hdd cần kiểm tra
theo điều kiện chịu uốn và phải đủ bố trí các đường hàn liên kết dầm đế vào thân cột.
- Theo cấu tạo, chọn chiều cao của đường hàn liên kết dầm đế vào cột theo yêu
cầu cấu tạo. Từ đó xác định được chiều dài tính toán của 1 đường hàn liên kết dầm đế
vào cột:
l
w
N dd 2h ( f )
f
w min
c
(1.107)
4.4.3. Tính toán sườn A và sườn B
- Sơ đồ tính sườn A và sườn B là dầm công-xôn ngàm vào bản bụng cột (sườn B)
hoặc ngàm vào bản cánh cột (sườn A), liên kết chúng vào cột là 2 đường hàn liên kết.
- Tải trọng tác dụng, qs, là ứng suất phản lực lớn nhất ở ô bản đế tương ứng.
2/2 và Vs =qs.ls
- Nội lực gồm có mô men và lực cắt: Ms=qs.ls
- Chọn sơ bộ bề dày sườn A và sườn B (ts) theo yêu cầu cấu tạo như đối với dầm
s
đế, chiều cao (hs) của sườn đế xác định theo điều kiện chịu uốn:
h
s
6M t f s
c
(1.108)
2
<1,15fc (1.109)
td
2 1
13
- Kiểm tra lại tiết diện sườn đã chọn theo điều kiện về ứng suất tương đương:
- Chọn chiều cào đường hàn theo yếu cầu cấu tạo, xác định diện tích tiết diện
(Aw) và mô men chống uốn (Ww) của đường hàn. Kiểm tra khả năng chịu lực của các
đường hàn liên kết theo công thức:
2
2
s
61
td
V s A
M W w
w
< (fw)minc (1.110)
4.4.4. Tính toán bulông neo
Bu lông neo được bắt chặt vào bản đế chân cột. Số lượng bu lông tối thiểu là 4
cái. Vật liệu làm bu lông có thể là thép các bon hoặc thép hợp kim thấp. Bu lông neo
được tính toán với cặp nội lực (M, N) gây kéo nhiều nhất cho chân cột. Trong vùng bê
tông chịu nén dưới bản đế, coi ứng suất phản lực trong bê tông móng ở mép biên của
bản đế đạt đến cường độ nén tính toán của bê tông móng. Từ phương trình cân bằng
mô men đối với trọng tâm vùng bê tông chịu nén (Hình 1.50a) xác định được tổng lực
kéo trong thân bu lông neo ở một phía chân cột:
T 1
M Na y
(1.111)
trong đó:
T1 – tổng lực kéo trong thân bu lông neo ở một phái chân cột;
a, y – khoảng cách từ trọng tâm vùng bê tông chịu nén đến trọng tâm tiết diện cột
và đến trục bu lông neo chịu kéo phía đối diện.
Ngoài quan niệm tính toán nêu trên, tại chân cột khung thép nhẹ thường tồn tại
cặp nội lực gây kéo trong thân bu lông neo với lực dọc là lực kéo (Hình 1.50b). Do đó
với cặp này cần xác định tổng lực kéo lớn nhất trong thân bu lông neo ở một phía chân
cột:
T 2
M N 2 L
b
(1.112)
Lb – khoảng cách giữa 2 dãy bu lông neo ở hai biên của bản đế.
Chọn loại bu lông neo (cấp bền), diện tích tiết diện thực cần thiết của một bu
lông neo xác định từ điều kiện chịu kéo lớn nhất:
A
yc bn
T max n .f 1
ba
(1.113)
trong đó:
Tmax – trị số lớn nhất trong hai trị số T1 và T2 xác định theo công thức (1.111)
và (1.112);
n1 – số lượng bu lông neo ở một phía chân cột;
62
N
N
M
M
V
V
d b
d b
t
t
L
Lb
b
y
M/L b
M/L b
a
N/2
N/2
min
T1
max
1T2
b
c/3
c
(a)
(b)
fba – cường độ tính toán chịu kéo của thép làm bu lông neo.
Hình 1.50. Tính toán bu lông neo
4.4.5. Tính toán đường hàn liên kết cột vào bản đế
Đường hàn liên kết cột vào bản đế gồm đường hàn liên kết bụng cột, cánh cột
vào bản đế. Với quan niệm rằng, ở chân cột mômen uốn và lực dọc do các đường hàn
ở bản cánh chịu, còn lực cắt do các đường hàn bản bụng chịu. Nội lực để tính toán
đường hàn, được chọn trong bảng tổ hợp nội lực ứng với tổ hợp dùng để tính toán các
các bu lông neo. Các cặp nội lực khác không nguy hiểm bằng.
Lực kéo trong bản cánh cột do đồng thời mômen uốn và lực dọc phân vào, công
thức lấy dấu (-) nếu N là lực nén:
N
k
M N 2 h
(1.114)
Tổng chiều dài tính toán các đường hàn liên kết ở một bản cánh cột (kể cả các
đường hàn liên kết dầm đế vào bản đế) lấy theo cấu tạo chi tiết chân cột.
Chiều cao cần thiết của đường hàn liên kết ở bản cánh cột với bản đế:
h
yc f
N k ( f )
w min
c
l 1w
(1.115)
Chiều cao cần thiết của đường hàn liên kết ở bản bụng cột với bản đế:
63
h
yc f
l
V ( f )
w min
c
2w
(1.116)
trong đó:
l1w – tổng chiều dài tính toán của các đường hàn liên kết ở một bản cánh cột (kể
cả đường hàn ở dầm đế và sườn nếu có) vào bản đế;
l2w – tổng chiều dài tính toán của các đường hàn liên kết ở một bản cụng cột
vào bản đế;
V – trị số lớn nhất của lực cắt tại chân cột trong bảng tổ hợp nội lực.
Kết hợp hai công thức (1.115) và (1.116) để chọn chiều cao đường hàn liên kết
cánh và bụng cột với bản đế chân cột.
4.5. Cấu tạo và tính toán chi tiết liên kết cột với xà ngang
N = N1 b.max
N 2
N 3 N 4 h1
h 2
h 3
N
M
h 4
t s
1
3
s h
V
s b
w t
f
1 b
b
d b t
1
A
A
s l
s h
2
1
h
V st 2 M
N
bs
l
A-A
h
Hình 1.51. Hình ảnh minh họa liên kết cột - xà
Hình 1.52. Chi tiết liên kết xà – cột
64
Liên kết giữa cột với xà ngang thông qua mặt bích và các bu lông (thường dùng
bu lông cường độ cao). Đường kính bu lông thường chọn d = (16 - 30)mm. Các bu
lông có thể được bố trí thành 2 hàng hoặc 4 hàng ở hai phía bản bụng cột, tùy thuộc
vào kích thước tiết diện xà và cột tại vị trí liên kết. Dưới đây giới thiệu kiểu bố trí bu
lông theo 2 hàng là trường hợp thường gặp. Tùy theo khoảng cách giữa các dãy bu
lông được bố trí tron phạm vi tiết diện có thể có 2 cách bố trí (Hình 1.53).
Khoảng cách tối đa và tối thiểu giữa các bu lông trong liên kết, tuân thủ quy định
trong tiêu chuẩn TCVN 5575:2012. Có thể tham khảo các trị số trong Bảng 1.7.
Bảng 1.7. Khoảng cách bố trí bu lông trong mối nối cột với xà ngang
Đường kính bu Khoảng cách bố trí bu lông, mm
lông, mm a1 a2 a3 a4 a5 b1
105 60 60 100 45 100 24
> 24 135 80 60 120 55 120
Nếu khoảng cách giữa hai dãy bu lông sát với 2 bản cánh phía trong tiết diện c
600mm thì bố trí thêm sườn B gia cường (Hình 1.53b).
c<600
a1 a
a1 a
c>600 t s
2
2
s b
w t
w t
f
f
1 b
b
1 b
b
1
1
2
a 4 2
a
a
a
a
a
a
a
a
a
25-30
25-30
4
4
4
3
4
4
4
4
3
l
l
Trình tự tính toán mối nối cột với xà ngang được thực hiện như sau:
Hình 1.53. Bố trí bu lông trong liên kết xà với cột khung
(a – không có sườn tăng cứng, c < 600mm; b – có sườn tăng cứng, c 600mm)
- Chọn cặp nội lực nguy hiểm (M, N, V) từ bảng tổ hợp nội lực, thường là cặp
max, Ntư).
(M-
- Chọn bề dày (ts), bề rộng (ls) và chiều cao sườn (hs) theo yêu cầu cấu tạo, ts ≥ tw,
bề rộng sườn phụ thuộc vào kích thước của mặt bích, chiều cao sườn hs = 1,5ls.
4.5.1. Tính toán bu lông liên kết
65
- Chọn loại bu lông phù hợp và căn cứ vào cấu tạo để bố trí trước số lượng bu
lông vào liên kết.
- Xác định lực kéo tác dụng vào một bulông ở dãy ngoài cùng do mômen và lực
dọc phân vào (coi tâm quay trùng với dãy bu lông phía ngoài cùng):
N
b max
N n
2 i
M.h 1 h 2
(1.117)
trong đó:
hi – khoảng cách từ dãy bu lông thứ i trong liên kết đến tâm quay (Hình 1.52);
h1 – khoảng cách giữa 2 dãy bu lông ngoài cùng;
2 – số hàng bu lông.
Kiểm tra khả năng chịu lực của bu lông trong liên kết (ở dãy biên ngoài cùng):
- Chịu mô men và lực dọc:
Nb.max [N]tb c (1.118)
- Chịu lực cắt (coi lực cắt phân đều cho các bu lông):
V n
< [N]bc (1.119)
trong đó:
[N]tb, [N]b – khả năng chịu kéo và khả năng chịu trượt của một bu lông cường độ
cao, xác định theo công thức (1.120) và (1.121):
[N]tb = ftb.Abn (1.120)
n
f A
b1
f
b2
(1.121) [N]b = hb
V – lực cắt tại tiết diện liên kết, trong cùng tổ hợp với mô men và lực dọc ở trên;
n – số lượng bu lông trong liên kết.
Nếu không thỏa mãn, cần tăng đường kính bu lông hoặc tăng số lượng bu lông
(nếu có thể) và kiểm tra lại theo các bước đã nêu.
4.5.2. Tính toán mặt bích
Bề dày mặt bích thường chọn trong khoảng (1,2 – 2,5)cm, xác định từ điều kiện
cân bằng giới hạn khi chịu uốn, lấy trị số lớn hơn trong hai trị số sau:
t 1,1
t 1,1
b .N b.max 1 (b b ).f
(1.122) b . N 1 i b h .f 1
1
và và
66
trong đó:
i
Ni - Lực kéo tác dụng lên một bu lông ở dãy thứ i;
N N
i
b max
h h
1
(1.123)
b – bề rộng của mặt bích, thường lấy bằng bề rộng cánh cột.
4.5.3. Chiều dày bản bụng cột tại chỗ liên kết
Cần kiểm tra chiều dày bản bụng cột tại chỗ liên kết theo điều kiện chịu cắt:
t
w
3 VS f 2 I f x v c
(1.124)
trong đó:
Sf – mô men tĩnh của bản cánh cột đối với trục x – x của tiết diện;
Ix – mô men quán tính của tiết diện cột.
4.5.4. Tính toán đường hàn liên kết cột và xà ngang với mặt bích
Chiều cao các đường hàn liên kết cột (xà ngang) với mặt bích được tính toán
kiểm tra tương tự như đối với đường hàn liên kết cột với bản đế, theo các công thức
(1.115) và (1.116).
Lực kéo trong bản cánh ngoài do mômen và lực dọc:
N
k
(b t ) f
f
M N W A
x
(1.125)
k
Vậy chiều cao cần thiết của các đường hàn này là:
h
yc f
N l ( f ) w
w min
c
(1.126)
4.6. Cấu tạo và tính toán chi tiết liên kết nối xà với xà (ở nhịp)
Mối nối xà ngang thường là mối nối khuếch đại tại công trường. Các đoạn xà
ngang được liên kết với nhau bằng bản bích và bu lông cường độ cao, tương tự như
mối nối cột và xà ngang. Tùy theo khoảng cách giữa các bu lông được bố trí trong
phạm vi tiết diện có thể có hai cách bố trí (Hình 1.54). Khoảng cách tối đa và tối thiểu
giữa các bu lông trong liên kết, tuân thủ quy định trong tiêu chuẩn TCVN 5575:2012.
Có thể tham khảo các trị số trong Bảng 1.8.
Trình tự tính toán mối nối xà ngang được tiến hành như sau:
max, Ntư).
- Chọn cặp nội lực nguy hiểm (M, N, V) từ bảng tổ hợp nội lực, thường gặp
(M+
67
- Chọn loại bu lông phù hợp và căn cứ vào cấu tạo để bố trí trước số lượng bu
lông vào liên kết.
- Xác định lực kéo tác dụng vào một bu lông (ở dãy biên dưới cùng) do mô men
và lực dọc phân vào theo công thức (1.117) Hình 1.55.
- Kiểm tra khả năng chịu lực của bu lông liên kết theo (1.118) và (1.119).
- Xác định chiều dày bản bích theo điều kiện (1.130).
- Kiểm tra chiều dày bản bụng xà ngang tại chỗ liên kết theo (1.124).
- Tính đường hàn liên kết tiết diện xà ngang với mặt bích theo (1.132) và (1.133).
Việc tính toán và cấu tạo mối nối xà thực hiện tương tự như trên. Do tiết diện xà
ngang tại vị trí nối giống như tại đỉnh mái và nội lực tại chỗ nối xà nhỏ hơn nên không
cần tính toán và kiểm tra mối nối.
Bảng 1.8. Khoảng cách bố trí bu lông trong mối nối xà ngang
Khoảng cách bố trí bu lông, mm Đường kính bu
lông, mm a2 a3 a4 a5 b1 a1
70 60 100 45 100 115 24
b f b1
b f b 1
5 a
5 a
1 a
1 a
2 a
2 a
3 a
3 a
2
l
l
4 a
2
0 0 6 < c
0 0 6 > c
t w
4 a
t w
3 a
3 a
2 a
2 a
1 a
1 a
5 a
5 a
1
1
t s
t s
(a)
(b)
80 60 120 55 120 > 24 135
Hình 1.54. Bố trí bu lông trong mối nối xà ngang
b f b 1
1
1
3 h
N 3
V
2 h
N
b
M
hl
1 h
M
2
2
t w
N
3
V
N 2
l
s
s
l
N = N1 b,max
1
1
b
t s
t
1-1
68
Hình 1.55. Cấu tạo mối nối xà
b f b 1
1
s
l
1
3 h
N 3
2 h
1 h
hl
M
V
2
t w
2
N
N
3
M
V
N 2
s
s
l
l
N = N1 b,max
1
1
t s
t b
1-1
4.7. Cấu tạo và tính toán chi tiết liên kết đỉnh xà
Hình 1.56. Chi tiết liên kết đỉnh xà
4.7.1. Tính toán bu lông liên kết
- Trong bảng tổ hợp nội lực, chọn ra cắp nội lực gây kéo nhiều nhất cho các bu
lông tại tiết diện đỉnh xà.
- Tương tự như trên, chọn cặp bu lông: đường kính và cấp độ bền và bố trí sơ bộ
bu lông trong liên kết.
- Chọn cặp sườn gia cường cho mặt bích với các kích thước sơ bộ bề dày (ts),
chiều cao sườn (hs) bề rộng (ls=1,5hs);
69
Do tại đỉnh xà ngang, nội lực do mô men, lực dọc và lực cắt phân vào các bu
lông không tác dụng dọc thân nên cần quy đổi thanh các lực tác dụng dọc thân bulông
(thành phần chiếu lên phương ngang). Vì vậy, lực kéo tác dụng vào một bulông ở dãy
dưới cùng do mômen và lực dọc phân vào:
N
b max
[N] . tb
c
N.cos n
V.sin n
2 i
M.h 1 h 2
(1.127)
V cos
N sin
Khả năng chịu cắt của một bulông được kiểm tra theo công thức:
n
< [N]b.c (1.128)
Với - góc dốc mái.
4.7.2. Chiều dày của mặt bích
- Lực kéo trong bản cánh dưới do mô men, lực dọc và lực cắt gây ra:
N
k
M N cos 2 h
V sin 2
(1.129)
- Chiều dày của mặt bích xác định từ điều kiện chịu uốn:
t 1,1
t 1,1
b .N 1 b.max (b b ).f
(1.130) b . N 1 i b h .f 1
1
và
trong đó:
i
Ni – lực kéo tác dụng lên một bu lông ở dãy thứ i:
N N
i
b max
h h
1
(1.131)
b – bề rộng của mặt bích, thường lấy bằng bề rộng cánh cột.
4.7.3. Chiều dài và chiều cao các đường hàn
- Chiều dài tính toán của các đường hàn phía cánh dưới (kể cả sườn) xác định
theo điều kiện cấu tạo, bố trí đường hàn. Chiều cao cần thiết của đường hàn này xác
k
định:
h
yc f
N l ( f ) w
w min
c
(1.132)
- Chiều cao cần thiết của các đường hàn liên kết bản bụng cột với mặt bích:
h
yc f
V cos
l ( f ) w
w min
c
N sin
(1.133)
70
4.8. Sơ đồ khối tính toán khung ngang
Trên cơ sở nội dung trình bày ở Bài 3 và Bài 4, dưới đây là tổng hợp các bước
tính toán khung ngang.
Bắt đầu Bắt đầu
Chọn kích thước tiết diện Chọn vật liệu Chọn sơ đồ kết cấu
Xác định tải trọng
Phân tích kết cấu
-
Kiểm tra sơ bộ chuyển vị
- Thiết kế tiết diện dầm, cột
- Thiết kế chi tiết liên kết
Kết thúc
Hình 1.57. Sơ đồ khối tính toán khung ngang
71
BÀI 5. KẾT CẤU MÁI
5.1. Cấu tạo mái
5.1.1. Mái có xà gồ
- Xà gồ để đỡ tấm lợp, xà gồ sử dụng thép hình cán chữ C khi nhịp nhỏ (dưới
6m), hoặc thép hình dập nguội (chữ C, Z) từ bản thép mỏng (có trọng lượng nhẹ), hoặc
xà gồ rỗng (dạng giàn) cho nhịp lớn hơn (12 18m). Xà gồ liên kết vào giàn hoặc xà
ngang thông qua mấu đỡ (con bọ), có thể cấu tạo dầm đơn giản hoặc dầm liên tục.
- Tấm tôn múi tráng kẽm dày 0,3 1,0mm, có trọng lượng khoảng (0,06 0,15)
kN/m2, bước xà gồ 1,2m - 2,0m và khả năng chịu tải (5,5 7,0) kN/m2. Tấm lợp được
dập, cán tạo múi sóng từ tấm thép rộng 1,5m nhằm mục đích tăng độ cứng cho tấm
mái. Số múi sóng trên một mét chiều rộng tấm tôn càng nhiều hoặc chiều cao múi sóng
càng cao thì tấm lợp càng cứng. Tấm lợp nhiều múi sóng thì độ che phủ của tấm bé
hơn tấm có ít múi sóng. Chọn chiều dày tôn, số múi sóng trên mét dài bề rộng tấm tôn,
chủng loại (hãng sản xuất) và màu sắc của tôn phụ thuộc nhiều vào điều kiện kinh tế.
Để chống nóng cho nhà, hiện nay sử dụng nhiều loại tấm lợp có cấu tạo đặc biệt, bao
gồm cả lớp xốp dán vào tôn.
- Tấm lợp xi măng lưới thép (tấm phibro xi măng) có bề rộng 1,125m, chiều dài 1,75m; 2,0m; 2,5m có trọng lượng riêng khoảng 0,2 kN/m2, bước xà gồ 1,0m đến
1,5m. Theo khuyến cáo của Bộ Xây dựng, khi dùng tấm lợp phibro xi măng cần cân
nhắc vì có một số loại tấm chứa chất amiăng không có lợi cho sức khỏe người sử
dụng.
- Tấm lợp tôn phẳng, trong một số trường hợp đặc biệt như phân xưởng nóng của
nhà máy luyện thép, dùng tấm lợp tôn phẳng có chiều dày (3 4)mm, được hàn trực
tiếp và xà gồ.
Để liên kết các tấm lợp vào xà gồ, người ta dùng vít thép tự tạo ren đối với tôn
1
2
3
1
2
a
a
v
v
múi hoặc dùng các bu lông 8 -14 có đệm cao su đối với tấm phibro xi măng.
Hình 1.58. Chi tiết liên kết tôn mái vào xà gồ
(1- vít thép; 2 – tôn múi; 3 – xà gồ)
72
Hình 1.59. Chi tiết xà gồ, liên kết giằng xà gồ, thanh chống xà gồ
Khi nhà có mái dốc với góc nghiêng > 100 và hệ số khi động ở mặt mái mang
dấu âm, ở phần đỉnh và phần mép mái có bề rộng 1,5m sẽ chịu thêm áp lực gió cục bộ
tăng (thường khoảng 1,5 đến 2 lần) so với vùng ở giữa mái. Tại đây, cần tăng cường
thêm liên kết tấm mái với xà gồ, khoảng cách giữa hai xà gồ ở đoạn này cũng cần
giảm hơn sơ với các phần diện tích mái còn lại.
5.1.2. Mái không xà gồ (tự đọc tài liệu)
Mái không dùng xà gồ mà sử dụng các tấm mái đặt trực tiếp lên xà ngang hoặc
giàn vì kèo, tấm lợp panel tấm lớn với kích thước: B = (1,5 3,0)m, L = 6,012,0m, h
Panel bê tông
Giàn vì kèo
B
Panel bê tông
L
= 0,3m. Bên trên tấm mái còn có các lớp chống thấm, cách nhiệt v.v…
Hình 1.60. Tấm panel bêtông Hình 1.61. Mái không xà gồ
73
5.2. Cấu tạo và tính toán xà gồ
5.2.1. Xà gồ tiết diện đặc
a) Cấu tạo
- Xà gồ để đỡ tấm lợp nhẹ (tôn múi tráng kẽm có/không có lớp cách nhiệt hoặc
tấm lợp phibro xi măng), do xà mái có độ dốc nên xà gồ đặt nghiêng, các tải trọng trên
mái tác dụng theo phương thẳng đứng nên xà gồ bị uốn theo hai phương (xà gồ chịu
uốn xiên).
- Vì xà gồ có độ cứng nhỏ khi chịu uốn theo phương trong mặt phẳng mái, để
tăng ổn định ngoài mặt phẳng uốn người ta cấu tạo hệ giằng xà gồ bằng thép tròn có
tăng đơ hoặc bu lông 16 22 hoặc dùng thép góc L63x5 giằng hai đầu.
- Xà gồ thép hình loại chữ I, chữ C hoặc tổ hợp hàn từ thép góc L và loại thép
tấm dập hoặc cán nguội trọng lượng nhẹ tiết diện chữ C và chữ Z có được sử dụng
rộng rãi. Các xà gồ thép hình sử dụng hợp lý khi nhịp của xà gồ dưới 12m, với nhịp
lớn hơn thì không nên sử dụng vì chi phí thép rất lớn.
B
B
L
L
(a)
(b)
Hình 1.62. Các dạng tiết diện xà gồ (thép hình và thép dập nguội)
Hình 1.63. Mặt bằng giằng và thanh chống xà gồ
(a – mặt bằng giằng xà gồ; b – mặt bằng thanh chống xà gồ)
b) Tính toán xà gồ tiết diện đặc dùng thép cán nóng
Xà gồ có thể được cấu tạo với sơ đồ tính là dầm liên tục hoặc dầm đơn giản, cấu
tạo dầm liên tục sẽ cho tiết diện hợp lý hơn về mặt chịu lực nhưng sẽ gây khó khăn
trong quá trình thi công; giải pháp cấu tạo liên kết khớp đầu dầm, để sơ đồ tính là dầm
đơn giản, sẽ đơn giản khi thi công và được sử dụng phổ biến hiện nay.
74
Xà gồ được tính toán như cấu kiện chịu uốn xiên. Tải trọng tác dụng lên xà gồ
bao gồm trọng lượng của tấm lợp, trọng lượng bản thân xà gồ và tải trọng sửa chữa
mái. Khi nhà nằm ở vùng gió có áp lực lớn và góc nghiêng mái > 100 cần kể đến
(a)
(b)
q = q.sin
q = q.sin
y
y
B/2
B/2
B/3
B/3
B/3 2
q Bx 90
M
y
My
2 q By 32
2 q By 360
q = q.cos
q = q.cos
x
x
B
B
Mx
Mx
2 q Bx 8
2 q Bx 8
hiện tượng gió bốc.
Hình 1.64. Sơ đồ tính và biểu đồ nội lực
Trị số tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán tác dụng lên xà gồ được xác định
a
tc
theo công thức:
q
(g
g
tc m
tc p ) m
tc xg
xg cos
a
tt
(1.134)
q
(g
p
)
g
tc m g
tc m p
tc xg g
xg cos
(1.135)
tc
mg - trị số tiêu chuẩn của trọng lượng các lớp mái;
tc
xgg - trị số tiêu chuẩn của trọng lượng bản thân xà gồ;
tc
mp - trị số tiêu chuẩn của tải trọng tạm thời trên mái (tải trọng sửa chữa);
trong đó:
g, p – hệ số độ tin cậy của tải trọng thường xuyên và tạm thời trên mái;
axg – khoảng cách bố trí xà gồ trên mặt bằng;
- góc dốc của mái.
y
75
x
Phân tích thành phần tải trọng tác dụng lên xà
qy
x
gồ thành hai thành phần, qx và qy gây uốn quanh
tc
tc
q
q.cos
q .cos
(1.136)
và
xq
xq
q x
tc
trục x - x và trục y - y:
tc q .sin
q.sin
và
(1.137)
yq
yq
Hình 1.65. Phân tải trọng xà gồ
Xác định nội lực trong xà gồ, trị số mô men uốn Mx và My trong xà gồ:
2
2
- Trường hợp xà gồ không có điểm giằng, mô men uốn xác định,
M
M
x
y
q B y 8
q B x 8
và (1.138)
- Trường hợp xà gồ có một điểm giằng hoặc hai điểm giằng, mô men uốn được
xác định theo Hình 1.64a và Hình 1.64b tương ứng.
Xác định sơ bộ tiết diện xà gồ, việc xác định tiết diện thông qua mô men chống
M
M
y
y
x
uốn của tiết diện, thông thường với thép góc chữ C có Wx = (6 8)Wy.
f .
c
M
M M x W W W x
x
y
x
1 (6 8)
(1.139)
M
y
x
Khi đó:
yc W x
M
c
x
M 1 (6 8) f .
(1.140)
yc W W x
x
Từ đó, tra bảng tra thép góc chữ C định hình để lấy số hiệu thép có
làm xà gồ.
Kiểm tra bền cho tiết diện xà gồ do tác dụng đồng thời mô men uốn Mx và My
x
f .
(1.141)
x
y
c
MM y W W y
x
theo công thức:
M
M
x
f .
(1.142)
c
y 1,12W 1,2W x y
Kiểm tra độ bền cho tiết diện xà gồ nếu kể đến sự phát triển biến dạng dẻo:
Kiểm tra độ võng xà gồ:
B
1 200
B
(1.144)
2 x
2 y
(1.143)
76
Với xà gồ nhịp đơn giản, chịu tải trọng phân bố đều, xác định độ võng thành
phần như sau:
Khi có một điểm giằng xà gồ:
4
+ Kiểm tra độ võng tại vị trí ở nhịp xà gồ (vị trí 0,5B), tồn tại y
0
(1.145)
x
y
tc 5 q B x 384 EI
x
,
4
4
1
+ Kiểm tra độ võng tại vị trí cách đầu xà gồ 0,21B, tồn tại y và x
y
x
tc 3,1 q B x 384 EI
tc q B y 2954 EI
x
y
, (1.146)
4
4
5
Khi không có giằng xà gồ:
y
x
tc 5 q B x 384 EI
tc q B y 384 EI
x
y
, (1.147)
trong đó:
Mx, My – các mô men uốn do qx và qy gây ra tương ứng;
tc- tải trọng tiêu chuẩn theo phương y và x;
Wx, Wy – các mô men chống uốn của tiết diện xà gồ đối với trục quán tính chính;
tc, qy
qx
tc gây ra tương ứng;
- độ võng của xà gồ do tải trọng tiêu chuẩn gây ra;
tc, qy
x, y – các độ võng thành phần do tải trọng qx
Ix, Iy – mô men quán tính của xà gồ theo phương x, y.
Trường hợp xà gồ liên kết chặt với tấm mái thì có thể coi xà gồ không bị võng
theo phương x (x = 0), khi đó chỉ còn tồn tại thành phần độ võng y.
Ngoài ra, cần kiểm tra xà gồ khi chịu gió bốc, vì tải trọng gió có phương vuông
góc với mặt mái và thường có chiều hướng ra khỏi mái (do hệ số khí động mang dấu
âm). Dựa theo góc dốc mái và tỷ lệ chiều cao với nhịp nhà để xác định hệ số khí động
(ce) theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737-1995. Hệ số khí động lớn nhất ce = - 0,7,
ứng với trường hợp gió thổi vào đầu nhà và áp dụng cho nhà có tỷ số H/L 1, tải trọng
gió theo chiều y – y vuông góc với mặt bằng mái nên chỉ gây uốn quanh trục x – x.
Vì tải trọng gió ngược chiều với tải trọng thường xuyên nên khi tính tải trọng gió
vào xà gồ cần phải trừ đi thành phần qx của tải trọng bản thân mái và xà gồ với hệ số
độ tin cậy của tải trọng lấy là 0,9, theo đó:
a
77
q
0,9(g .a
g )cos
gio
c .w .k.n e 0
tc m xg
tc xg
xg cos
(1.148)
Các ký hiệu trong công thức trên, xem mục 3.2.4.
Không cần kiểm tra ổn định tổng thể đối với xà gồ khi chịu tải trọng thẳng đứng
vì cánh nén của nó được gắn vào tấm lợp bằng các vít. Ở những nơi có gió bão lớn,
phải kiểm tra ổn định tổng thể của xà gồ, tuy nhiên vì ứng suất tính theo điều kiện bền
là nhỏ nên ở những vùng gió bé thường không cần kiểm tra.
Khi cấu tạo xà gồ thành dầm liên tục, một vấn đề lưu ý là: không nên dùng xà gồ
sơ đồ siêu tĩnh hai nhịp, sẽ không kinh tế vì trị số mô men ở các gối giữa bằng 1,79 lần
trị số mô men lớn nhất ở nhịp. Khi sử dụng xà gồ liên tục nhiều nhịp mà bước gian
(nhịp xà gồ) đều nhau thì trị số mô men ở gối thứ hai tính từ đầu hồi sẽ lớn hơn trị số
mô men ở các gối trung gian. Do đó, để xà gồ ở các nhịp có tiết diện giống nhau thì ở
nhịp đầu tiên (nhịp ngoài cùng – chính là hai gian đầu hồi) phải giảm đi còn 0,8B. Nếu
không giảm được nhịp của gian đầu tiên thì cần tăng tiết diện xà gồ (dùng xà gồ kép –
dùng hai xà gồ lồng vào nhau), hoặc tăng cường độ vật liệu thép của xà gồ cho các
gian này, hoặc bố trí thêm xà gồ cho gian đầu hồi nhà.
c) Tính toán xà gồ tiết diện đặc dùng thép dập nguội
Hiện nay trong xây dựng, xà gồ dập nguội được sử dụng tương đối rộng rãi.
Người ta chế tạo bằng cách dập nguội bản thép mạ kẽm (có giới hạn chảy 450N/mm2), độ dày (1,5 – 2,4)mm thành tiết diện chữ Z (đối xứng qua tim) hoặc chữ
C (có một trục đối xứng). Khi uốn và dập nguội, cấu trúc tinh thể thép biến đổi, cả ứng
suất chảy và ứng suất bền đều tăng cao, thép trở nên cứng hơn. Việc tính toán xà gồ
dập nguội tương đối phức tạp, theo lý thuyết thanh thành mỏng, vì sau khi ứng suất
trong bản mỏng đạt giá trị tới hạn, tấm bị oằn nhưng không phá hủy, vẫn còn khả năng
chịu thêm lực. Tải trọng đặt thêm sẽ gây ra sự phân bố lại ứng suất và cấu kiện vẫn
chịu được tải trọng, do đó phải tính bề rộng hữu hiệu (nhỏ hơn bề rộng thực tế) của
từng tiết diện.
Để liên kết tấm mái vào xà gồ, hiện nay có hai loại. Loại phổ thông là bắt vít tự
khoang, tự tạo ren; loại liên kết này tạo độ cứng cho hệ thống tâm lợp và phần nào
kiềm chế xoắn cho xà gồ. Loại thứ hai, xuất hiện sau dùng đai gắn; các đai này liên kết
xà gồ bằng hai vít, khi này tấm tôn không liên kết trực tiếp và xà gồ mà ẩn chặt múi
sóng cao của tấm tôn vào các đai (do đó đai ẩn kín trong sườn cao của tấm nên còn gọi
78
là liên kết âm). Loại liên kết này cho phép tấm lợp di chuyển xoay và trượt (khi có
biến dạng xà gồ và co giãn nhiệt). Loại liên kết này tạo độ cứng bên không đáng kể
nên xà gồ cần có giằng và để kiềm chế chuyển vị bên và kiềm chế xoắn.
Hiện nay, ở Việt Nam chưa có quy phạm để tính cấu kiện thanh thành mỏng, nên
sau đây giới thiệu phương pháp thực hành chọn số hiệu xà gồ dập nguội của hãng BHP
theo quy phạm Úc (theo quy phạm AS/ANZ 4600:2005). Theo tài liệu này, tấm mái
được bắt chặt vào xà gồ bằng các vít tự tạo ren, để tránh phá hoại cục bộ cánh dầm, xà
gồ không kê trực tiếp vào bản cánh xà ngang (hoặc cánh thép góc giàn vì kèo) mà đặt
cách mặt bản cánh 10mm, liên kết bằng bu lông cường độ cao vào chi tiết chờ sẵn (con
10-20
10-20
M12
M12
0 1
0 1
M12
L50x5
L50x5
680-800
680-800
PL-6
(a)
(b)
bọ), xem Hình 1.67a.
Hình 1.66. Chi tiết liên kết thanh chống xà gồ với xà gồ và xà ngang
q'
q
x
x
b
b
1
1
0
0
(a)
(b)
(c)
(a – tại vị trí có sườn gia cường; b – tại vị trí không có sườn gia cường)
Hình 1.67. Liên kết xà gồ với con bọ và sơ đồ tải trọng tác dụng lên xà gồ
(a – Cấu tạo liên kết xà gồ; b – tải trọng hướng ra; c – tải trọng hướng vào)
Khi chịu tải trọng gió bốc, cánh trên của xà gồ (cánh được liên kết với tấm mái)
sẽ chịu kéo, còn cánh dưới chịu nén thì không được giằng. Khi chịu tải trọng thẳng
đứng, sự chịu tải sẽ ngược lại. Gọi hai trường hợp này tương ứng với tải trọng hướng
ra và hướng vào xà gồ (Hình 1.67b và Hình 1.67c). Kích thước cấu tạo liên kết xà gồ
được lấy theo Bảng 1.9.
79
Bảng 1.9. Kích thước cấu tạo liên kết xà gồ
Kích thước danh nghĩa, mm Tiết diện danh
nghĩa, mm y b x t Khe hở
105 40 100 40 8 10 18
145 55 150 60 8 10 18
195 55 200 110 8 10 18
245 55 250 160 8 10 18
305 65 300 210 12 20 18
5.2.2. Xà gồ tiết diện rỗng (tự đọc tài liệu)
(a)
(b)
(d)
(c)
Hình 1.68. Hình ảnh minh họa sử dụng xà gồ tiết diện rỗng
Hình 1.69. Các sơ đồ xà gồ rỗng
a) Cấu tạo
- Xà gồ tiết diện rỗng cấu tạo như giàn có sơ đồ tính đơn giản, dùng hợp lý khi
bước cột lớn (bước khung), B 12m.
- Cấu tạo xà gồ đa dạng, thanh cánh trên của xà gồ thường dùng thép hình, thanh
bụng và cánh dưới dùng thép góc đơn hoặc thép tròn đường kính 8-12. Xà gồ bằng
thép tròn (ba mặt) dùng cho nhịp 12m, song tốn thép và ít dùng. Xà gồ rỗng tạo bởi
thép hình cán hoặc dập nguội có ưu điểm trọng lượng nhẹ, độ cứng lớn, được dùng
rộng rãi hơn.
80
b) Tính toán xà gồ tiết diện rỗng
Việc tính toán xà gồ rỗng tiến hành như giàn thông thường, chỉ khác trong sơ đồ
tính có thanh cánh trên liên tục, các thanh cánh dưới và bụng liên kết khớp ở hai đầu.
Thanh cánh trên chịu trực tiếp tải trọng phân bố nên trong thanh sẽ xuất hiện hai thành
phần nội lực là mô men uốn (M) và lực dọc (N), việc kiểm tra bền thanh cánh trên theo
cấu kiện chịu nén uốn (trong một mặt phẳng nếu không có thành phần tải trọng ngang,
hoặc trong hai mặt phẳng); các thanh bụng và thanh cánh dưới chịu lực dọc N (kéo
hoặc nén).
81
BÀI 6. KẾT CẤU ĐỠ CẦU TRỤC
6.1. Kết cấu đỡ cầu trục
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.
6.1.1. Các bộ phận kết cấu đỡ cầu trục
- Thông thường kết cấu cầu trục, bao gồm: (1) dầm (hoặc giàn) cầu trục để chịu
tải trọng thẳng đứng; (2) kết cấu hãm (dầm hoặc giàn) để chịu tải trọng nằm ngang, và
(3) ray cầu trục.
- Dầm cầu trục là bộ phận chịu lực chủ yếu, tiết diện có dạng: (1) Đặc - tiết diện
chữ I định hình hoặc tổ hợp hàn từ ba bản thép, và (2) Rỗng (giàn) - dùng khi nhịp
dầm lớn, tải trọng nhẹ với sức trục đến 30 tấn, giàn cầu trục tiết kiệm từ (15-20)% vật
liệu so với dầm đặc nhưng tốn công chế tạo.
- Kết cấu hãm, tiết diện có dạng: (1) Đặc – tiết diện gồm bản cánh trên của dầm,
bản hãm nằm ngang và thanh chữ C, và (2) Rỗng (giàn) – tiết diện có thanh cánh và
thanh bụng.
Hình 1.70. Dầm cầu trục đặt ở vai cột
Hình 1.71. Dầm cầu trục có kết cấu hãm (giàn hãm) – giàn đỡ giàn hãm
82
Hình 1.72. Dầm cầu trục sơ đồ liên tục (ngoài và trong nhà)
Hình 1.73. Dầm cầu trục tiết diện thay đổi – giàn hãm, thanh chống
Hình 1.74. Gối chắn cầu trục – Cầu trục cổng
Hình 1.75. Dầm cầu trục treo ở xà ngang – giàn cầu trục
83
Hình 1.76. Dầm cầu trục treo – dầm bụng rỗng
- Sơ đồ tính có thể là dầm đơn giản hoặc liên tục, dầm liên tục tiết kiệm (12-
15)% vật liệu nhưng lắp ráp khó hơn vì phải có các mối nối, chịu ảnh hưởng của
chuyển vị gối tựa và biến dạng nhiệt.
CT-1
CT-1
CT-1
CT-2
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
(a)
(b)
(c)
6.1.2. Tải trọng tác dụng
Hình 1.77. Sơ đồ tải trọng của cầu trục
- Tải trọng truyền lên kết cấu đỡ thông qua các bánh xe cầu trục, tùy theo sức
trục mà số bánh xe ở mỗi phía cầu trục là hai bánh (Hình 1.77a, b), bốn bánh (Hình
1.77c) hoặc nhiều hơn. Khi tính độ bền và ổn định của kết cấu cầu trục, cần xét với tải
trọng do hai cầu trục mang vật nặng ở vị trí sát nhau tác dụng bất lợi nhất. Áp lực tính
toán thẳng đứng (P) và lực ngang tính toán (T) ở một bánh xe xác định theo công thức:
P k .n.n .P 1
c max
(1.149)
T k .n.n .T 2 1
c
(1.150)
trong đó:
Pmax - áp lực thẳng đứng lớn nhất ở một bánh xe (lấy theo thông số kỹ thuật của
cầu trục);
k1, k2 - hệ số động lực, kể đến thay đổi vận tốc của cầu trục và sự không bằng
phẳng của ray, lấy theo Bảng 1.10, phụ thuộc chế độ làm việc của cầu trục và nhịp của
dầm cầu trục;
n - hệ số độ tin cậy của tải trọng (hệ số vượt tải), n= 1,1;
nc - hệ số tổ hợp, khi tính với hai cầu trục nc = 0,85 khi chế độ làm việc nhẹ và
trung bình; nc = 0,95 khi chế độ làm việc nặng và rất nặng;
T1 - xác định theo công thức (1.22) như khi xác định tải trọng cầu trục lên khung.
84
Bảng 1.10. Giá trị của hệ số động k1, k2
Chế độ làm việc của cầu trục Bước cột B (m) k1 k2
Nhẹ, trung bình không phụ thuộc B 1,0 1,0
1,1 1,0 Nặng B 12
1,0 1,0 B > 12
1,2 1,1 Rất nặng B 12
1,1 1,1 B > 12
- Dầm hãm ngoài tác dụng chịu lực xô ngang T1 còn dùng làm đường đi khi sửa
chữa cầu trục, hoạt tải sửa chữa lấy theo điều kiện thực tế của nhà xưởng, có thể lấy 2kN/m2 với hệ số độ tin cậy, n = 1,3.
- Khi xác định độ võng theo phương đứng và phương ngang của kết cấu cầu trục,
chỉ lấy tác động của một cầu trục bất lợi nhất.
6.2. Dầm cầu trục tiết diện đặc
y
y
y
y
y
y
y
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
y
y
y
y
y
y
y
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
6.2.1. Cấu tạo tiết diện
Hình 1.78. Các kiểu tiết diện dầm cầu trục
(a đến b – thép định hình mở rộng cánh; b đến f – tổ hợp hàn; g – hai bản bụng)
- 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 6m (bằng bước cột) và sức nâng không
lớn lắm (Q = 5 - 10 tấn) thì dùng tiết diện I định hình có gia cường cánh trên bằng thép
bản hoặc thép góc để chịu lực ngang T (Hình 1.78a, b) hoặc tiết diện chữ I tổ hợp hàn
không đối xứng (Hình 1.78c). 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 1.78d).
- Để giảm chi phí thép, đôi khi 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 công nghiệp có cầu trục làm việc chế độ nặng, ở vùng phía trên của
bản bụng dầm thường xuất hiện các hư hỏng, nên tại đó cần gia cường bằng các bản
85
thép đặt thẳng đứng hoặc chống xiên (Hình 1.78e, f) hoặc dùng dầm hai bản bụng
nhằm làm giảm ứng suất cục bộ trong bản bụng và tăng khả năng chống xoắn của dầm
(Hình 1.78g).
- Tiết diện dầm hãm bao gồm:
+ Nhịp biên: Cánh trên dầm cầu trục, bản dầm hãm và thanh biên (thép chữ C)
hoặc là cánh giàn đỡ phụ.
+ Nhịp giữa: Hai cánh trên của hai dầm cầu trục và bản dầm hãm, bề rộng bản
dẫm hãm tính từ trục dầm cầu trục đến mép ngoài của thanh biên hoặc khoảng cách hai
dầm cầu trục; Mặt dưới dầm hãm được gia cường bằng sườn cứng có kích thước 65x6
đặt cách nhau 1,5 đến 2,0m.
- Khi bề rộng dầm hãm nhỏ (1,25 - 1,5m) nên dùng bản đặc, và khi lớn hơn 1,5m
thì dùng giàn hãm (sẽ tiết kiệm hơn), hệ thanh bụng rỗng của giàn hãm một thép góc,
sơ đồ tam giác có thanh đứng.
- Nhằm tăng độ cứng không gian cho hệ giàn hãm và hạn chế dao động của cánh
dưới dầm, ở mặt phẳng cánh dưới của dầm cầu trục bố trí hệ thanh giằng với độ mảnh
giới hạn [] = 200.
- Đối với nhà làm việc chế độ nặng luôn dùng giàn hãm mà không phụ thuộc vào
1
2
2
3
5
5
4
(a)
(b)
(c)
5
5
4
4
(d)
(e)
bề rộng của kết cấu hãm.
Hình 1.79. Tiết diện dầm hãm
(a, b, c - ở nhịp biên; d, e - ở nhịp giữa; 1 – bản thép mỏng; 2 – sườn cứng; 3 – giàn
đỡ phụ; 4 - giằng cánh dưới; 5 – cột khung)
86
(a)
(b)
(c)
Hình 1.80. Sơ đồ giàn hãm
(a - cho dãy cột biên; b - cho dãy cột giữa; c - giằng mặt phẳng cánh dưới)
6.2.2. Tính toán nội lực trong dầm
Việc tính toán dầm cầu trục, về cơ bản giống dầm sàn phổ thông. Tuy nhiên do
tải trọng tác động là di động lặp đi lặp lại theo cả phương đứng và phương ngang, gây
ứng suất cục bộ lớn cho dầm, nên có thêm những điểm khác biệt trong quá trình tính
toán.
a) Nội lực tính toán do áp lực thẳng đứng P gây ra
Mô men uốn và lực cắt lớn nhất được xác định do hai cầu trục mang vật nặng ở
vị trí gần nhau. Vì tải trọng di động nên cần phải tìm vị trí của tải trọng gây ra nội lực
lớn nhất cho dầm. Với sơ đồ dầm đơn giản, nội lực được tính toán được xác định bằng
cách vẽ đường ảnh hưởng hoặc dựa theo nguyên tắc Vinkle.
- Theo nguyên tắc Vinkle, mômen uốn lớn nhất Mmax xẽ xuất hiện khi hợp lực
của tất cả các lực đối xứng qua điểm giữa dầm với một lực P ở gần R nhất, tại tiết diện
đặt lực P đó sẽ có giá trị Mmax. Lực cắt lớn nhất Vmax trong dầm sơ đồ tính đơn giản
xuất hiện khi có một trong số các lực đặt trực tiếp vào gối, còn các lực khác đặt gần
gối nhất. Vì vị trí tiết diện có mô men Mmax ở gần tiết diện giữa nhịp, nên gần đúng có
thể tính giá trị Mmax bằng cách dùng đường ảnh hưởng mô men tại tiết diện giữa nhịp,
sai số khoảng 1-2%.
- Trong dầm liên tục để tìm nội lực tính toán, cần vẽ đường ảnh hưởng của
mômen và lực cắt, độ võng cho các tiết diện của dầm (trong sổ tay thiết kế cho số
lượng điểm chia trong dầm đều nhịp là 10 vị trí, với tung độ đường ảnh hưởng cho
trước tương ứng).
- Trọng lượng bản thân dầm cầu trục và hoạt tải sửa chữa trên dầm hãm được kể
đến bằng cách nhân giá trị Mmax và Vmax với hệ số (=1,03; 1,05; 1.08 ứng với nhịp
87
dầm B = 6; 12; 18m). Như vậy, mô men uốn tính toán và lực cắt tính toán được xác
định:
M
M
.V
x
max
V x
max
và (1.151)
b) Nội lực tính toán do lực hãm ngang T gây ra:
- Do điểm đặt của lực ngang T cùng vị trí với áp lực thẳng đứng P nên mômen
uốn tính toán (My) và lực cắt tính toán (Vy) do lực hãm ngang T gây ra cũng được xác
định như khi tính Mmax và Vmax, có nghĩa :
M M
V V
y
max
y
max
T P
T P
a
P
P
P
P
P
P
P
P
CT-1
R=3P CT-2
CT-1
CT-2
V=Vmax
B
a/2 a/2 B
(a)
(b)
P
P
P
P
CT-1
CT-2
Mmax
V B (c) và (1.152) Hình 1.81. Sơ đồ xác định mô men và lực cắt lớn nhất trong dầm cầu trục (a – mô men uốn lớn nhất; b – lực cắt lớn nhất; c – chưa xuất hiện lực cắt lớn nhất) y y y y x x x x C L x x x x h h h t y y y y
b (b) (a) 6.2.3. Chọn tiết diện dầm Hình 1.82. Ký hiệu kích thước tiết diện dầm cầu trục (a – trường hợp có dầm hãm; b – trường hợp không có dầm hãm) a) Đối với dầm cầu trục có dầm hãm (sức trục lớn, Q > 30 tấn) - Cánh trên của dầm còn chịu ứng suất do My gây ra, ta giảm cường độ tính toán
của thép làm dầm đi (1,5 - 2,5)kN/cm2. Ngoài ra, trường hợp cầu trục làm việc chế độ 88 nặng và rất nặng, cường độ tính toán của thép còn phải nhân với hệ số điều kiện làm M việc c = 0,9. Như vậy, mômen chống uốn yêu cầu Wyc: W
yc 2 x
(1,5 2,5)kN / cm f 1
c (1.153) - Tính chiều cao hmin và chiều cao kinh tế hkt. Dựa vào hkt để quyết định chiều cao tc dầm, thường chiều cao dầm lấy (1/6 – 1/10) nhịp. h min M
M 5 f .B B
24 E
tt (1.154) h kt 3mW
yc
(m 1)t
w (1.155) - Diện tích tiết diện dầm A, diện tích tiết diện cánh trên Atr, diện tích tiết diện 2 cánh dưới Ad, xác định: A ht W
yc w m 1
h (m 1)
6m (1.156) A A f ,1 ht
w
2 m
m 1
(1.157) A A f ,2 ht
w
2 1
m 1
(1.158) trong đó: Mx – mô men uốn tính toán; c – hệ số điều kiện làm việc, với dầm làm việc ở chế độ nặng và rất nặng lấy c = 0,9, các trường hợp khác lấy c = 1,0; [/B] – độ võng cho phép của dầm; m – hệ số không đối xứng của tiết diện, m = Wf,1/Wf,2 = h1/h2, thường lấy m = 1,1 1,5; Wf,1, Wf,2 – mô men chống uốn đối với thớ biên trên và biên dưới của tiết diện; h1, h2 – khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ trên và thớ dưới; - Chọn tiết diện dầm hãm, dầm hãm bao gồm cánh trên của dầm cầu trục bản dầm hãm và thanh biên để đỡ bản dầm hãm. Vì khoảng cách từ trục dầm cầu trục đến mép ngoài cột thông thường nhỏ hơn 750mm, nên chọn bản dầm hãm có chiều dày tbh = 6-8mm. Thanh biên chọn phụ thuộc vào nhịp dầm cầu trục, thường dùng thép chữ C định hình từ loại C10 đến C20. 89 b) Đối với dầm cầu trục không có dầm hãm (sức trục trung bình và nhỏ, Q 30 tấn) Trường hợp dầm cầu trục sức trục nhỏ, tiết diện cấu tạo từ thép hình hoặc tổ hợp hàn có bản cánh mở rộng (Hình 1.78a, b, và c). - Xác định chiều cao kinh tế của dầm theo điều kiện độ bền, 3 h W kt
2x.yc w ( 1) 3
(1.159) trong đó: - hệ số không đối xứng của tiết diện, = Wf,1/Wf,2 = h1/h2, thường = 1,25. W2x.yc – mô men chống uốn yêu cầu của tiết diện khi chịu mô men uốn Mx, W2x.yc = Mx/f; w – độ mảnh của bản bụng dầm, w = hw/tw; 2 ) - Chiều cao tối thiểu của dầm xác định theo yêu cầu độ cứng: h min 5B f . M (1
c
xn
48E[ ]M
x (1.160) trong đó: Mxn - mô men do tải trọng tiêu chuẩn của một cầu trục gây ra; - Chiều dày bản bụng dầm lấy theo điều kiện chịu cắt và điều kiện ổn định cục h max bộ, t t w w w
5,5 E / f 1,5Q
h f
w v (1.161) 2 P 3 - Chiều dày bản bụng dầm từ điều kiện bền do tác dụng của tải trọng cục bộ, t w
f1
c I
3 f 1,f
(1.162) trong đó: c – hệ số, với dầm tổ hợp hàn và định hình lấy c = 3,25; các ký hiệu khác xác định tương tự như đối với dầm cầu trục có dầm hãm. Ngoài ra, theo yêu cầu cấu tạo, chiều dày bản bụng tw 7mm. - Diện tích cần thiết của tiết diện cánh trên và cánh dưới có thể xác định gần (2 w w đúng, A W 1f ,yc 2f ,yc
h )h t
6 (1.163) W (2 w w 90 A 2f ,yc 2f ,yc
h 1)h t
6
(1.164) trong đó: A1f.yc – diện tích tiết diện cánh trên; A2f.yc – diện tích tiết diện cánh dưới; h – chiều cao tiết diện dầm; hw – chiều cao tiết diện bụng dầm; tw – chiều dày bản bụng dầm. 6.2.4. Kiểm tra tiết diện dầm về độ bền Việc kiểm tra chính xác tiết diện dầm cầu trục có dầm hãm là bài toán phức tạp, vì dầm chịu uốn xiên (do tác dụng của Mx và My), vừa chịu xoắn (do lực tác dụng không đặt vào tâm uốn). Ứng suất pháp trên tiết diện được xác định theo công thức M yo xo y x (1.165) o o M
I I xo yo B
I tính thanh mỏng: trong đó: Mxo, Myo - mômen uốn với trục quán tính chính xo-xo và yo-yo; B - bimômen; Ixo, Iyo - mômen uốn với trục quán tính chính xo-xo và yo-yo; P P y y y y T T - - + + A A - - x x x x x x x x x y (a) (b) (c) (d) y B B + + y y xo, yo, - các toạ độ thẳng và toạ đô quạt. Hình 1.83. Sơ đồ kiểm tra tiết diện dầm (a, c – dầm có dầm hãm và không có dầm hãm; b, d – biểu đồ ứng suất tính theo giả thiết đơn giản) a) Kiểm tra ứng suất ở tiết diện cánh trên và cánh dưới * Đối với dầm cầu trục có dầm hãm và không có dầm hãm: 91 Vì đường tác dụng của lực gần đi qua tâm uốn, nên ảnh hưởng xoắn là không lớn lắm, do đó để đơn giản trong thiết kế cho phép kiểm tra dầm theo giả thiết sau: Tải trọng thẳng đứng gây Mx do dầm cầu trục chịu; tải trọng ngang gây My do dầm hãm chịu. Kiểm tra bền theo công thức sau: f .
t ,
c M
W W M
y
A
y.th x
A
x đối với cánh trên dầm cầu trục (1.166) ,
f .
d c M
x
B
W
x đối với cánh dưới (1.167) trong đó: c - hệ số điều kiện làm việc, lấy bằng 0,9 khi chế độ làm việc năng và rất nặng; A B xW , xW - mômen chống uốn với trục x của tiết diện thu hẹp dầm cầu trục tại lấy bằng 1,0 với các trường hợp còn lại; A y.thW - Mômen chống uốn với trục y của tiết diện dầm hãm tại điểm (A); thớ trên (A) và thớ dưới (B); * Đối với cầu trục có giàn hãm: Khi có giàn hãm, cánh trên của dầm cầu trục sẽ có ba thành phần ứng suất, do mô men uốn (Mx), do lực nén (NT) và mô men uốn cục bộ (Mcb,y). Kiểm tra ổn định của cánh trên dầm cầu trục theo phương ngoài mặt phẳng dầm theo công thức: f .
t c T
c.tr N
A MM
cb.y
c.tr
W W
y x
A
x (1.168) trong đó: Mx - Mômen uốn; NT - Lực nén do phân mômen uốn My phân thành lực dọc trong thanh cánh dầm hãm, cb.yM - mômen uốn cục bộ do lực ngang T của bánh xe đặt ở đoạn giữa hai nút NT = My/hdh (1.169) cb.yM = 0,9T.d/4; giàn, 0,9 – hệ số tính đến tính liên tục của cánh giàn hãm; hdh - chiều cao giàn hãm; d - khoảng cách hai tâm nút giàn; .tr 92 yW - diện tích tiết diện của cánh trên dầm và mô men chống uốn của cánh Ac.tr, trên đối với trục y - y; - hệ số uốn dọc của riêng tiết diện cánh trên dầm cầu trục lấy với trục y thẳng đứng, chiều dài tính toán là khoảng cách d giữa hai nút giàn hãm; b) Kiểm tra ứng suất cục bộ Tại vị trí tiếp giáp bản cánh với bản bụng, có ứng suất cục bộ do tác dụng trực f . (1.170) cb.y c P
1
t l
w z tiếp của áp lực bánh xe ở bản bụng dầm. trong đó: P - áp lực tính toán của bánh xe cầu trục (không kể đến hệ số động); 1 - hệ số tăng tải trọng tập trung của một bánh xe, 1=1,11,6; 3 tw - chiều dày bản bụng; z c I / t
c w z - chiều dài quy ước phân bố áp lực cục bộ, ; c = 3,25 đối với dầm tổ hợp hàn và dầm hình; c = 4,5 với dầm bulông cường độ cao; c) Kiểm tra ứng suất tương đương Tại chỗ tiếp giáp giữa bản bụng và bản cánh, sẽ có ứng suất pháp, ứng suất tiếp 2 .f (1.171) td 2
x 2
cb.y
x cb.y xy3 và ứng suất cục bộ. =1,15 khi tính dầm đơn giản, P =1,3 khi tiết diện gối là liên tục. T r d) Kiểm tra ứng suất cục bộ do lệch tâm ngẫu nhiên Mt Khi nhà có chế độ làm việc nặng, bản bụng dầm ngoài ứng suất cục bộ còn phải tính đến ứng suất cục bộ do lệch tâm ngẫu nhiên; Lực hãm T và thẳng đứng P gây mômen xoắn cục bộ Mxo ở cánh trên của dầm. Hình 1.84. Tính mô men xoắn Do đó phát sinh ứng suất cục bộ ở bụng dầm. xo Ứng suất cục bộ ở bụng dầm do lệch tâm ngẫu nhiên: ' t cb.y w 2M
I xo (1.172) 93 trong đó I I b xoI xo xo.ray f 3
t
f
3 - mômen quán tính xoắn của ray và cánh dầm, Mxo - mô men lệch tâm, Mxo = P.e + 0,75T.hr e - độ lệch tâm quy ước, e = 0,15; hr - chiều cao ray; 0,75 - hệ số kể đến chiều dài phân bố mô men xoắn. f (1.173) '
cb.y cb.y c e) Kiểm tra tổng ứng suất cục bộ 6.2.5. Kiểm tra bền mỏi Kiểm tra độ bền mỏi cho dầm cầu trục có số lượng chu kỳ tải trọng nQ 105 do (1.174) max .f .
f f tải trọng của một cầu trục: trong đó: ff - cường độ tính toán về mỏi, lấy theo Bảng 1.11, Bảng 1.11. - Cường độ tính toán về mỏi ff Trị số của ff khi cường độ kéo đứt tức thời fu, MPa Nhóm cấu ≤ 420 Từ 420 đến Từ 440 đến Từ 520 đến Từ 580 đến kiện 440 520 580 635 120 128 132 136 145 1 100 106 108 110 116 2 Đối với mọi mác thép 90 3 Đối với mọi mác thép 75 4 Đối với mọi mác thép 60 5 Đối với mọi mác thép 45 6 Đối với mọi mác thép 36 7 Đối với mọi mác thép 27 8 - hệ số, kể đến số lượng chu kỳ tải trọng nQ, xác định như sau: Khi nQ < 3,9 x 106: Đối với các nhóm cấu kiện 1 và 2: 2 n n 94 0,064 0,5 1,75 Q
6
10 Q
6
10
(1.175) 2 n n Đối với các nhóm cấu kiện 3 và 8: 0,07 0,64 2, 2 Q
6
10 Q
6
10
(1.176) Khi nQ 3,9 x 106, lấy = 0,77; f - hệ số, lấy theo Bảng 1.12, phụ thuộc vào trạng thái ứng suất và hệ số không đối xứng của ứng suất = min/max, với max và min tương ứng là các ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất (tính theo trị tuyệt đối) trong cấu kiện, tính theo tiết diện giảm yếu, không kể đến các hệ số , e, b. Khi các ứng suất khác dấu nhau, hệ số mang dấu "- ". Khi kiểm tra theo công thức (1.174), tích số fff không được vượt quá giá trị fu/M; M = 1,3. Bảng 1.12. Hệ số f Hệ số không đối xứng của ứng suất Công thức tính hệ số f max Kéo -1 ≤ ≤ 0 f = 2,5 / (1,5 - ) 0 < ≤ 0,8 f = 2,0 / (1,2 - ) 0,8 < < 1 f = 1,0 / (1 - ) Nén -1 ≤ < 1 f = 2,0 / (1 - ) 6.2.6. Kiểm tra võng Dùng công thức gần đúng với độ chính xác cho phép: 2 tc B * Dầm đơn giản: M 10E.I (1.177) tc
tr * Dầm liên tục: tc
tc
M M M B
2
p
gi
EI
10 72
(1.178) tcM - mô men do tải trọng tiêu chuẩn gây ra; trong đó: M , M , M - mô men do tải trọng tiêu chuẩn gây ra tại gối phải, giữa nhịp và tc
p tc
gi tc
tr 95 gối trái. - Độ võng theo phương đứng cho phép [] của dầm cầu trục được quy định từ điều kiện đảm bảo sự làm việc của cầu trục và phụ thuộc vào chế độ làm việc của cầu trục: với chế độ làm việc nhẹ [/B] = 1/400; với chế độ làm việc trung bình [/B] = 1/500; với chế độ làm việc nặng [/B] = 1/600. - Độ võng theo phương ngang của kết cấu hãm (dầm và giàn) chỉ tính khi cầu trục có số lượng chu kỳ tải trọng n 2.106 thì không được vượt quá 1/2000 nhịp; 6.2.7. Kiểm tra ổn định tổng thể và ổn định cục bộ - Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm cầu trục theo công thức: f .
c x
W M
d (1.179) Khi có dầm hãm hoặc giàn hãm, ổn định tổng thể dầm cầu trục thường đảm bảo, không cần kiểm tra. - Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và ổn định cục bộ của bản bụng như với o dầm thường, nhưng với bản bụng do có ứng suất cục bộ ở phía cánh nén của dầm: 0,5 b
t E
f f 2 2 cb.y x (1.180) 1
xy
o o.cb o
(1.181) trong đó: x, xy - ứng suất pháp ở mép biên chịu nén và ứng suất tiếp trung bình của bản bụng, chú ý rằng mỗi lần kiểm tra ổn định ô bản bụng cần dùng đường ảnh hưởng và xếp tải để xác định lại mô men uốn, lực cắt lớn nhất trong từng ô; cb.y - xác định như trên, lấy hệ số 1 = 1,0; o, o.cb ,o - ứng suất tới hạn, lấy theo Tiêu chuẩn TCVN 5575:2012. 6.2.8. Liên kết bản cánh và bản bụng - Khác với dầm thường, liên kết cánh trên với bản bụng dầm cầu trục, ngoài chịu lực trượt (do uốn của dầm) còn chịu ứng suất cục bộ (do áp lực bánh xe). Khi dùng liên kết hàn, ứng suất trong đường hàn sẽ bằng tổng hình học hai thành phần ứng suất. - Kiểm tra đường hàn theo công thức: 2 2 c 96 ( f ) w min c 1
2h VS
I P
1
z
f x
(1.182) 2 2 - Chiều cao đường hàn cần thiết của bản cánh trên với bản bụng: h f VS
f
I 1
2( f )
P
1
z
w min c x
(1.183) - Khi đường hàn cánh trên với bản bụng không chịu lực cục bộ nên được tính toán như dầm thường, tức là theo công thức (1.183) nhưng cho giá trị P = 0. Khi dầm có chu kỳ tải trọng n 2.106 thì đường hàn cánh trên với bản bụng phải được hàn kín suốt cả bề dày bản bụng, do đường hàn có cùng cường độ với bản bụng nên không cần phải tính toán. 6.2.9. Kiểm tra độ bền và bền mỏi với các trường hợp đặc biệt khác Đối với dầm cầu trục có chu kỳ của tải trọng nQ 106, thì bản bụng của dầm cần phải kiểm tra thêm về điều kiện bền và bền mỏi như sau: - Vùng chịu nén của bản bụng dầm cầu trục bằng thép có giới hạn chảy từ 2 2 2 ( ) ( ).( ) ( ) .f 3.
(1.184)
x c.x
x c.x
t.y c.y
t.y c.y xy f , (1.185) x c.x f , (1.186) c.y t.y (1.187)
xy c.xy t.xy vf 400N/mm2 trở xuống phải thỏa mãn điều kiện: trong đó: x - ứng suất pháp gây bởi mô men uốn Mx, x = Mx/Wx.n; c.y - ứng suất pháp cục bộ theo phương y, c.y = 1P/(tw.lz ); t.y - ứng suất do mô men xoắn cục bộ, t.y = 2Mttw/It; c.x - ứng suất cục bộ theo phương x, c.x = 0,25c.y; xy - ứng suất tiếp, xy = P/(hw.tw); Mt – mô men xoắn cục bộ, Mt = P.e + 0,75.Vthr; hr –chiều cao ray; e – độ lệch tâm thực tế lấy theo kết quả khảo sát, nhưng e 1,5cm; L / t c I
3
1t w z ; Lz – chiều dài chịu tải quy ước, 97 c – hệ số, c = 3,25 đối với dầm tổ hợp hàn và dầm định hình, và c = 4,5 đối với dầm bu lông cường độ cao; I I / 3 t t.r b t
f 3
f ; It – tổng mô men quán tính xoắn bản thân của ray và của cánh, It.r – mô men quán tính xoắn của ray, lấy theo thông số của ray; I1t – tổng mô men quán tính của bản thân cánh dầm và của ray cầu trục; Các ký hiệu khác lấy theo tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép [6]. - Kiểm tra độ bền mỏi vùng trên của bụng dầm cầu trục tổ hợp hàn được tiến 0,5 0,36 0, 4 0,5 f (1.188) 2
x 2
xy
c.y t.y f hành theo công thức: trong đó: ff – cường độ tính toán về mỏi, với mọi mác thép lấy ff = 7,5kN/cm2 đối với vùng trên chịu nén của bản bụng; ff = 6,5kN/cm2 đối với vùng trên chịu kéo của bản bụng; Các ký hiệu khác lấy như đối với công thức (1.184). 6.3. Các loại dầm cầu trục khác (tự đọc tài liệu) 6.3.1. Giàn cầu trục Hình 1.85. Hình ảnh minh họa giàn cầu trục Hình 1.86. Cấu tạo giàn cầu trục 98 Hình 1.87. Chi tiết giàn cầu trục a) Cấu tạo - Được sử dụng khi nhịp từ 12m trở lên và cầu trục có sức nâng không lớn (Q < 30t), chế độ làm việc nhẹ và trung bình. - Thường có dạng cánh song song, hệ thanh bụng tam giác với các thanh đứng; chiều cao giàn hd = (1/6 1/8)B; khoảng cách nút giàn d = (0,8 1,3)hd và d 3m. - Thanh cánh trên của giàn chịu lực nén và uốn cục bộ (do bánh xe cầu trục đặt ở khoảng cách giữa hai nút giàn) nên tiết diện được thiết kế dạng chữ I tổ hợp có cánh rộng hoặc chữ I định hình có gia cường thêm bản thép hoặc thép góc, chiều cao thép chữ I là hc > (1/5 1/7)d. các thanh bụng giàn làm bằng hai thép góc, trục của chúng hội tụ tại mép dưới của thanh cánh trên. Thanh cánh dưới dùng thép chữ T hoặc hai thép góc, chiều dày bản mã không nhỏ hơn 10mm. - Do sự di chuyển của cầu trục, nội lực trong một số thanh giàn sẽ đổi dấu. Do đó cần cấu tạo nút để giảm ứng suất tập trung, đặc biệt ở đường hàn liên kết thanh bụng với thanh cánh phải được thực hiện với chất lượng cao. - Tại nút giàn liên kết thanh cánh trên (thép chữ I) với thanh bụng, bản bụng thép chữ I cần gia cường các sườn đứng. b) Tính toán - Sơ đồ tính toán của giàn cầu trục là hệ thống tổ hợp giàn có thanh cánh trên cứng, có (n-1) bậc siêu tĩnh (với n là số khoang của thanh cánh trên). Việc thực hiện tính toán chính xác nội lực được thực hiện bằng phương pháp của cơ học kết cấu. 99 - Trong thực tế thiết kế, sử dụng một số giả thiết gần đúng nhằm đơn giản hóa việc tính toán: Sơ đồ quy ước là giàn có liên kết khớp tại tâm nút có nghĩa là trục thanh bụng đồng quy tại trục thanh cánh trên. Dùng đường ảnh hưởng để xác định lực dọc trong các thanh, mô men uốn cục bộ ở thanh cánh trên xác định: M cb.x Pd
3 (1.189) trong đó: P - áp lực tính toán của bánh xe cầu trục; d - chiều dài khoang cánh trên; - Lực hãm ngang T của bánh xe cầu trục gây ra mômen uốn My hoặc lực dọc NT và mô men uốn cục bộ Mcb.y; - Sau khi có nội lực trong các thanh giàn, tiến hành xác định tiết diện sơ bộ và kiểm tra ứng suất trong thanh. Độ võng của giàn cầu trục do tải trọng tiêu chuẩn gây ra phải nhỏ hơn độ võng cho phép. 6.3.2. Dầm cầu trục công xơn - Theo yêu cầu công nghệ của phân xưởng, khi cần vận chuyển hàng dọc theo hàng cột. - Để làm đường chạy cho cầu trục, cần phải có ba hệ thống dầm đỡ: dầm đặt thẳng đứng để chịu áp lực đứng Va, hai dầm đặt ngang để chịu áp lực ngang phía trên H1 và phía dưới H2 của bánh xe. Hình 1.88. Dầm cầu trục công xơn 6.3.3. Dầm cầu trục treo Hình 1.89. Hỉnh ảnh minh họa dầm cầu trục treo Q Q Q (a) (c) Q Q Q (b) (d) 100 y y y y y x x x x x x x x x x y y y y y (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 1.90. Sơ đồ liên kết dầm cầu trục treo vào khung 1 a) 4 2 4 2 2 1 1 1 3 3 1-1 2 7 5 6 6 5 2 2 b) 2-4 1 1 2 2-2 Hình 1.91. Tiết diện dầm cầu trục treo Hình 1.92. Chi tiết liên kết dầm cầu trục treo và giàn thép (1 – dầm cầu trục; 2 – bu lông; 3 – bản khóa; 4 – tấm đệm; 5, 6 – sườn gia cường; 7 – thanh treo) 101 a) Cấu tạo Dầm cầu trục treo được dùng khá phổ biến trong khung thép nhẹ của các nhà công nghiệp với sức trục không lớn (Q 30 tấn), chúng được treo ở nút giàn mái hoặc xà ngang của khung và làm đường chạy cho thiết bị vận chuyển. Kết cấu treo sử dụng loại một đường chạy, hai hoặc ba đường chạy có móc cẩu và điều khiển điện bằng tay. Ưu điểm chính của cầu trục treo là chi chi phí đầu tư và vận hành ít, dễ dàng thay đổi hoặc cải tạo, sự linh hoạt của hệ thống vận chuyển và sử dụng hợp lý không gian trong dây chuyền sản xuất (do có thể bố trí ở nhiều nhịp và chia ra nhiều phân khu). Tuy nhiên, việc sử dụng kết cấu cầu trục treo gây tải trọng phụ lên kết cấu mái, dẫn đến tăng chi phí thép cho kết cấu mái, nhưng cũng do sức trục không lớn nên chi phí này được bù đắp bởi chi phí sử dụng. Cầu trục treo có thể có một đường chạy, sử dụng khi sức nâng đến 10 tấn, chỉ vận chuyển hàng theo hướng dọc nhà và vận hành bằng bảng điều khiển cầm tay; loại hai hoặc ba đường chạy, sử dụng khi sức nâng đến 30 tấn, vận chuyển hàng theo phương dọc và ngang nhà và vận hành bằng bảng điều khiển hoặc có ca bin điều khiển. Dầm cầu trục được treo ở nút cánh dưới của giàn hoặc xà ngang của khung, nhịp của cầu trục chính là bước giàn hoặc bước khung ngang, thường có mô đun 6m hoặc 12m. Đặc điểm chính của dầm đỡ cầu trục treo là các bánh xe của hệ thống vận chuyển là 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, chẳng hạn loại thép hợp kim thấp - tương đương loại 09Г2 theo Phụ luc A Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575:2012. Các dạng tiết diện dầm cầu trục treo được sử dụng. Theo đó, có các loại tiết diện sau: (1) Tiết diện dùng thép chữ I đặc biệt (Hình 1.91a) theo Tiêu chuẩn ГОСТ 19425-74 hoặc tương đương của Việt Nam, với loại này chiều dày cánh và bụng tiết diện lớn hơn so với chữ I thông thường, chủ yếu dùng cho dầm có nhịp dưới 6m và sức trục nhỏ hơn 5 tấn, với nhịp lớn đến 12m thì thép chữ I có thể gia cường cánh trên bằng thép góc L hoặc thép C nhằm tránh bị mất ổn định tổng thể. 102 (2) Tiết diện dùng thép I thường theo Tiêu chuẩn ГОСТ 8239-72 hoặc TCVN 1655-75, chủ yếu dùng cho dầm có nhịp đến 6m với việc gia cường cánh dưới bằng bản táp (Hình 1.91b), bản táp hàn với mặt dưới của cánh dưới dầm bằng đường hàn góc, lưu ý khi sử dụng tiết diện I lớn sẽ làm tăng bề rộng cánh sẽ không phù hợp với kích thước cơ cấu bánh xe cầu chạy, lúc này cũng có thể sử dụng giải pháp phay bớt nhằm làm hẹp bề rộng cánh. (3) Tiết diện chữ I làm từ hai loại thép với tiết diện không đối xứng dùng cánh trên mở rộng (Hình 1.91c) làm từ thép CT3 và cánh dưới từ thép chữ T đặc biệt làm từ thép hợp kim thấp (tương tương thép 09Г2) cho nhịp dầm 6m và dưới 12m. Để tăng độ cứng dầm theo phương ngang, tốt nhất cánh trên dùng thép C cán hoặc uốn nguội. (4) Tiết diện chữ I làm từ thép CT3 hàn, với cánh trên mở rộng và cánh dưới dùng ray chữ T chuyên dụng (Hình 1.91d), với tiết diện này sẽ hạn chế sức nâng cầu trục (thường dưới 1 tấn), do khó nâng được độ bền của ray chữ T chuyên dụng. Ngoài ra, trong thiết kế điển hình với nhịp dầm 12m, người ta dùng dầm một trục đối xứng có bản bụng rỗng, ở phần trên tiết diện dùng từ thép I cán nóng thông thường còn cánh dưới dùng thép chữ I đặc biệt, các tiết diện này được tạo bởi cắt bản bụng dầm tiết diện chữ I theo đường gãy khúc rồi đặt so le các phần đã cắt của thép chữ I thường và chữ I đặc biệt rồi hàn lại (Hình 1.91f). Để thiết bị cầu trục được hoạt động trơn tru từ dầm này sang dầm kia, cánh dưới dầm cầu trục sử dụng bản khóa hoặc hàn đối đầu. Đối với trường hợp khung ngang sử dụng giàn mái với bước khung đến 12m, và sức trục lớn hơn 5 tấn 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. 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, 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 gia cường đặt ở hai phía của bản bụng xà ngang. b) Tính toán - Dầm cầu trục được tính do cầu trục treo gây ra; áp lực thẳng đứng P và lực ngang T. Lực ngang của cầu trục một đường chạy tính bằng 0,1P. 103 M y x f . (1.190) c M
W W x y.cd - Kiểm tra về bền: trong đó: Mx, My - mômen uốn do tải trọng thẳng đứng và ngang gây ra; Wx - mômen chống uốn của tiết diện với trục ngang; Wy.cd - mômen chống uốn của tiết diện cánh dưới dầm với trục đứng; c - hệ số điều kiện làm việc, tính đến mài mòn tiết diện, c = 0,9; - Kiểm tra về ổn định: Như dầm thường. - Kiểm tra về độ võng: Độ võng giới hạn cho phép là 1/500, kể đến mài mòn tiết diện mô men quán tính In = 0,9Ix; - Cánh dưới dầm cầu trục treo chịu tác dụng trực tiếp của áp lực bánh xe nên có ứng suất cục bộ theo phương trục dầm (1) và theo phương vuông góc trục dầm (2) xác định theo công thức:
1
2 1 max
2 1,6k P
1 max
2
t 2,8k P
t , (1.191) t - bề dày trung bình của cánh dầm cầu trục. Giá trị 1 được cộng với ứng suất pháp do uốn, giá trị 2 đưa vào công thức kiểm tra ứng suất cục bộ. 6.4. Các chi tiết liên kết dầm cầu trục 6.4.1. Gối dầm cầu trục - Chỗ gối dầm cầu trục truyền lực đứng và nằm ngang, áp lực đứng được truyền qua sườn đầu dầm; trong dầm đơn giản đầu mút được phay nhẵn; trong dầm liên tục sườn đầu dầm tỳ chặt vào cánh dưới của dầm. Giữa dầm và cột đặt tấm kê, ở gối của nhịp lân cận xuất hiện phản lực âm nên bulông neo phải chịu được lực nhổ. Hình 1.93. Minh ảnh họa gối dầm cầu trục ở vai cột 104 T P Hình 1.94. Chi tiết gối dầm cầu trục vào cột - Để truyền lực ngang lên cột và chống xoay cho dầm, bố trí thêm chi tiết gắn 1 dầm cầu trục vào cột. H T.h
h 2 (1.192) trong đó: T - Lực hãm ngang của dẫm cầu trục tại đỉnh ray; h1, h2 - Khoảng cách từ mút dưới của sườn đầu dầm đến đỉnh ray và đến điểm đặt chi tiết. - Khi cầu trục làm việc, tiết diện đầu dầm có chuyển vị xoay do võng dầm; Do tác dụng của nhiệt độ thì dầm cầu trục còn bị giãn nở, các chi tiết liên kết có chuyển vị ngang (H); biến dạng đàn hồi của gối tựa theo phương đứng (V); các chuyển vị thay đổi liên tục theo sự làm việc của dầm cầu trục nên các chi tiết bị mỏi. 105 6.4.2. Ray cầu trục và cách liên kết Hình 1.95. Ray dầm cầu trục và liên kết - Để làm dường chạy cho bánh xe cầu trục, cần sử dụng loại ray chuyên dụng, số hiệu lấy theo sức trục Q của cầu trục. Chế độ làm việc nặng nên dùng ray chuyên dụng vì không phát sinh vết nứt chỗ bắt bulông và liên kết. Ray hình vuông có độ cứng nhỏ hơn ray chuyên dụng và khó liên kết vào cánh dầm. Liên kết ray vào dầm cầu trục cần đảm bảo sự thẳng của ray. - Do quá trình làm việc, ray bị dịch chuyển, do đó không nên hàn ray vào cánh dầm. - Để ray tiếp xúc chặt hơn với cánh dầm, cần đặt tấm đệm đàn hồi dưới đáy ray. Tấm đệm làm bằng vật liệu đàn hổi, có tác dụng san phẳng và giảm bớt ứng suất tập trung do lực ở bánh xe cầu trục (tấm đệm bằng cao su hoặc cao su chộn bột kim loại). Để phù hợp với sự lún đàn hồi của tấm đệm, liên kết ray cầu trục với cánh dầm dùng kiểu liên kết lò xo. 6.4.3. Gối chắn cầu trục - Gối chắn cầu trục đặt ở cuối đường ray để giới hạn miền làm việc của cầu trục, gồm công xơn có gắn bộ phận lò xo chắn và bộ phận ngắt điện tự động; - Tính gối chắn như một công xơn chịu lực nằm ngang hướng dọc cầu trục do va đập cầu trục vào gối. 106 Hình 1.96. Một số kiểu gối chắn cầu trục 107 BÀI 7. HỆ SƯỜN TƯỜNG 7.1. Tác dụng và phân loại 7.1.1. Tác dụng - Tạo kết cấu bao che hoặc phân chia khu vực trong nhà, chống ồn hoặc cách nhiệt; - Đỡ các tấm tường bao che (tấm Panel bê tông cốt thép lắp ghép, hoặc tường gạch xây, hoặc tấm tôn, tấm phibrô ximăng) và chịu tải trọng gió. 7.1.2. Phân loại - Hệ sườn tường chia làm 2 loại: (1) Hệ sườn tường dọc nhà, và (2) Hệ sườn tường ngang nhà. - Các bộ phận chính: (1) cột, (2) xà (dầm) và (3) các thanh giằng. Hình 1.97. Hệ sườn tường dọc nhà và ngang nhà 7.2. Bố trí hệ sườn tường 7.2.1. Hệ sườn tường dọc nhà - Nếu tường là các tấm Panen bê tông, dùng cho trường hợp có yêu cầu chống cháy lan và cách nhiệt của các nhà công nghiệp, chiều dài các tấm Panel bằng bước cột B = 6m, thì hai đầu Panel có các râu thép để liên kết và hàn trực tiếp vào khung. - Nếu tường là tường gạch xây tự mang, cần đặt thêm cột và dầm tường để chia
nhỏ tường, sao cho diện tích mỗi mảng tường không quá 12m2. Chỗ tiếp giáp cột với tường xây cần đặt râu thép 10, 12 và chèn căng bằng vữa mác cao. - Nếu tường là các tấm Fibrôximăng hoặc tấm tôn, thì bao giờ cũng phải bố trí dầm tường để các tấm tôn liên kết, dầm tường sử dụng thép góc định hình hoặc dập nguội tiết diện chữ C, Z, chúng được liên kết với cột. 108 - Khi bước cột B = 12m, với tường là các tấm Panel định hình 6m hoặc cần giảm kích thước dầm tường để đạt hiệu quả kinh tế, cần bố trí cột sườn tường ở giữa để đỡ tấm Panel hoặc dầm tường. Đầu trên cột sườn tường tựa vào hệ giằng dọc của nhà (ở vị trí cánh dưới của giằng mái hoặc thanh chống ngang đầu cột khung, còn đầu dưới cần bố trí thêm móng đỡ phụ. Yêu cầu độ mảnh giới hạn cột sườn tường [] =1/150, trường hợp cột sườn tường có độ cao lớn, cần bố trí dầm ngang để giảm chiều dài tính toán của cột theo phương ngoài mặt phẳng. 7.2.2. Hệ sườn tường ngang nhà Tại đầu hồi nhà có kích thước lớn, cần phải bố trí hệ sườn tường. Hệ sườn tương bao gồm cột sườn tường, dầm sườn tường, và giằng sườn tường (nếu có). Cột sườn tường bố trí cách nhau từ 4m đến 6m (phụ thuộc vào kích thước tấm tường), đầu trên cột tựa vào giằng ngang cánh dưới của giàn mái hoặc cánh dưới của xà ngang. 7.3. Tính toán hệ sườn tường 7.3.1. Tính toán dầm tường a) Sơ đồ tính và tải trọng tác dụng - Tiết diện dầm tường thường là chữ I, C loại thép định hình, hiện nay phổ biến sử dụng thép dập nguội tiết diện chữ I, C, Z cho các tường bao che sử dụng tôn. Đôi khi tiết diện là chữ I tổ hợp hàn hoặc cũng có thể sử dụng giàn đặt nằm ngang. - Sơ đồ tính là dầm đơn giản, gối đỡ chính là các cột sườn tường, chịu tải trọng theo phương ngang do gió thổi vào với diện chịu tải tương ứng, và tải trọng theo phương đứng là trọng lượng bản thân tấm tường và bản thân dầm tường. b) Xác định nội lực Nội lực trong dầm sườn tường do tác dụng của tải trọng ngang do gió và tải trọng thẳng đứng do trọng lượng tấm tường và dầm tường. 2
b 2
b - Mô men uốn theo phương b b ngang do tải trọng gió tác dụng vào 1
b 1
b dầm tường được tính như sau: a a + Với tường là tấm Panel hoặc tôn liên kết vào xà gồ tường, 2 hoặc tường gạch có tỷ số a/b 2, Hình 1.98. Sơ đồ phân tải gió M gio P.b.a
8 (1.193) 109 2 + Với tường gạch, có tỷ số a/b < 2: M
gio P.b.a
(1.194) trong đó: P - áp lực gió tính toán, kN/m2, xác định theo TCVN 2737-1995; a, b - khoảng cách cột và khoảng cách dầm; - hệ số, phụ thuộc vào tỷ lệ b/a, nếu khoảng cách các dầm tường không bằng nhau thì b = (b1 + b2)/2, được tra theo Bảng 1.13. Bảng 1.13. Giá trị hệ số b/a 1 : 5 1 : 4 1 : 3 1 : 2 1 : 1,5 1 : 1,25 1:1 8,11 8,17 8,31 8,73 9,39 10,17 12 - Mô men uốn theo phương đứng do trọng lượng bản thân tường và xà gồ tường gây ra, có các trường hợp xảy ra: (1) Khi tải trọng tường nhỏ (tường tôn và xà gồ thép hình cán nguội) thì có thể bỏ qua và kiểm tra tiết diện dầm sườn tường như cấu kiện chịu uốn do Mgió. Kiểm tra khả M f . (1.195) c gio
W
x năng chịu lực của dầm sườn tường: (2) Khi tường xây gạch, tải trọng gây uốn q được lấy như sau: nếu chiều cao của khối xây b < 0,75a (a - nhịp dầm) thì tải trọng lấy bằng toàn bộ khối xây nằm ở trên dầm; còn nếu b 0,75a thì tải trọng lấy bằng trọng lượng của khối xây có chiều cao 0,6a (do đã kể đến tác dụng của hiệu ứng vòm). 2 Mô men uốn do trọng lượng tường: M y q q.a
8 x a
5
7
,
0
>
b P a
5
6
,
0 (1.196) y y x
h a M M gio f. (1.197) c Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm: y
W W
y x Hình 1.99. Sơ đồ tính sườn tường Wx, Wy – mô men chống uốn của tiết diện lấy đối với trục x – x và trục y –y. (3) Khi tường là các tấm Panel hàn vào cánh dầm, trọng lượng bản thân tấm tường không những gây ra mô men uốn My mà còn gây ra mô men xoắn cho tiết diện 110 (do vị trí đặt tải trọng không trùng với tâm uốn). Việc tính toán chính xác là tương đối phức tạp nên trong thiết kế dùng cách tính gần đúng như sau: coi mô men uốn gây ra bởi tải trọng gió do toàn bộ tiết diện chịu, còn mô men uốn do trọng lượng bản thân tấm tường do một cánh dầm chịu, cánh phía có liên kết với tấm tường. Mô tả cách tính q q x x P P = + y y y y x x gần đúng này như ở Hình 1.100. Hình 1.100. Sơ đồ tính gần đúng tiết diện chịu xoắn Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm sườn tường chịu uốn xiên, theo cách tính M M gio f . (1.198) c y
canh
W W
y x gần đúng: trong đó: cánh - mô men chống uốn của tiết diện cánh dầm đối với trục y-y. Wx – mô men chống uốn của tiết diện lấy đối với trục x – x; Wy 7.3.2. Tính toán cột sườn tường a) Sơ đồ tính và tải trọng tác dụng - Tiết diện cột tường thường là chữ I, C định hình hoặc tiết diện rỗng. Khi cột có chiều cao lớn, ở giữa cột cần bố trí hệ giàn gió phụ làm gối trung gian cho cột. Để không cản trở độ võng của giàn mái hoặc xà ngang, liên kết cột và giàn gió cấu tạo khớp dạng bản, cần có bản thép (dày 8 10mm, rộng 100 200mm). Bản thép truyền được phản lực lên già gió nhưng dễ dàng uốn cong theo phương đứng. Liên kết giữa dầm tường và cột thực hiện một cách đơn giản bằng cách sử dụng bu lông. Sơ đồ tính là cột hai đầu khớp, các chỗ có giàn gió là gối cố định (Hình 1.101). - Tải trọng tác dụng lên cột sườn tường gồm: tải trọng do gió (theo phương ngang) và trọng lượng bản thân tường (theo phương đứng). Trọng lượng tường có thể đặt đúng hoặc lệch so với trọng tâm tiết diện cột, tùy theo cách cấu tạo liên kết. b) Xác định nội lực - Do tải trọng gió (theo phương ngang) tác dụng vào cột sườn tường, - Do trọng lượng bản thân tường (theo phương đứng), đặt đúng hoặc lệch so với trục cột. 111 c) Tính toán kiểm tra cột chịu nén lệch tâm Tính như cột chịu nén uốn (nén lệch tâm), xem tài liệu liên quan về tính cột thép 3 4 q 2 q b 4 wd 1 1 q b 4 q e (a) (b) (c) chịu nén uốn. Hình 1.101. Sơ đồ tính cột sườn tường (a – sơ đồ cấu tạo; b – liên kết xà gồ tường với cột; c – sơ đồ tính; 1 và 2 – cột và xà ngang của khung; 2 – giằng gió; 4 – xà gồ tường) 112 VÍ DỤ TÍNH TOÁN CHƯƠNG 1 Ví dụ 1. Xác định áp lực đứng Dmax, Dmin của cầu trục Đề bài: Xác định áp lực đứng Dmax, Dmin của cầu trục tác dụng lên vai cột khung nhà công nghiệp, cho biết: Áp lực tiêu chuẩn lớn nhất và nhỏ nhất của 1 bánh xe cầu max = 87,7 kN; Pc min = 24,5 kN. Hệ số độ tin cậy về tải trọng, p = 1,1. Bề rộng trục Pc gabarit Bk = 3,9 m và bề rộng đáy của cầu trục Kk = 3,2m. Nhà có 1 cầu trục hoạt động, chế độ làm việc nặng (hệ số tổ hợp tải trọng nc = 1). Nhịp dầm cầu trục L = 7 m. k B
K k P P CT-1 A B L y 2 y =11 Bài giải: Hình 1.102. Hình vẽ cho Ví dụ 1, xác định tung độ đường ảnh hưởng của cầu trục có thể xác định bằng đường ảnh hưởng của Áp lực đứng Dmax, Dmin phản lực tại gối tựa dầm cầu trục khi bánh xe di chuyển đến vị trí bất lợi. Theo đó, ta cho bánh xe di chuyển đến gối A, xác định tung độ đường ảnh hưởng theo tam giác D y 1,1.1.87,7 1 148,8kN max γ n P
p c
c max i 7 3, 2
7
.
D y 1,1.1.24,5 1 . 41,6kN min γ n P
p c
c min i 7 3, 2
7
đồng dạng, sau đó thực hiện việc thay số vào các công thức (1.15) và (1.16) ta có: Ví dụ 2. Xác định chiều dày bản đế chân cột liên kết khớp Đề bài: Xác định chiều dày bản đế (tbd) chân cột khung thép nhẹ của nhà công nghiệp có cấu tạo như Hình 1.103a, cho biết: Kích thước tiết diện của chân cột: hw = 300 mm; tw = 10 mm; bf = 300 mm; tf = 20 mm. Kích thước của bản đế: Lbđ = 400 mm; Bbđ = 350 mm. Lực nén tính toán ở chân cột N = 300 kN (cột liên kết khớp với
móng). Vật liệu thép làm bản đế chân cột có cường độ f = 210 N/mm2. Hệ số điều kiện làm việc của cột, c = 1. Bài giải: 113 a) Xác định mô men uốn lớn nhất trong bản đế: 2 2,14N / mm 3
.
300 10
350.400 N
B L
b
d b d Ứng suất phản lực trong bê tông móng dưới bản đế chân cột, coi phân bố đều: M
1 2
d
1 b Mô men uốn trong ô bản đế công xơn phía bên ngoài cánh cột: trong đó: 2 2675Nmm / mm 1M 0,5.2,14.50 b = 0,5
d1 = (Lbd - hw)/2 = (400 - 300)/2 = 50mm M 2 b 2
2 d
Mô men uốn trong ô bản đế kê 3 cạnh trong phạm vi bản bụng và cánh cột: trong đó: a2 = hw = 300mm, b2 = (Bbd - tw)/2 = (350 - 10)/2 = 170mm; b2/a2 = 170/300 = 0,56. Tra bảng ta có b =0,07 2 . 13482Nmm / mm 2M 0,07.2,14 300 d2 = a2 = 300mm. Mô men uốn lớn nhất trong các ô bản đế: = max {2675;13482} = 13482Nmm/mm. Mmax = max {M1; M2} b) Xác định chiều dày bản đế: Chiều dày bản đế xác định theo điều kiện bền chịu uốn đối với ô bản đế có mô m x
a t 19,6mm bd 6M
fγ 6 13482
.
0 1 .
21 c men uốn lớn nhất: Chiều dày bản đế theo yêu cầu cấu tạo: tbđ = (12 - 30) mm 12 mm. Vậy chọn chiều dày bản đế: tbđ = 20mm. 114 Ví dụ 3. Xác định lực kéo lớn nhất trong thân bu lông neo Đề bài: Xác định lực kéo lớn nhất trong thân bu lông neo ở chân cột khung thép nhẹ của nhà công nghiệp có cấu tạo như Hình 1.103b, cho biết: Cặp nội lực tính toán ở chân cột: N = 75 kN; M = 250 kNm. Kích thước bản đế: Lbđ = 600 mm; Bbđ = 400 N N M V d
b d
b t t L b (a) (b) y a 1
c min w
t T2 T1 d
fb
b B max c/3 1
c c a a a a x x 2 1 1 2 c c
2 2 bd h
L 1
b d
b
B mm; Khoảng cách bố trí bu lông neo móng: x = 50 mm; a1 = 100 mm; a2 = 150 mm. Hình 1.103. Hình vẽ cho Ví dụ 2 và Ví dụ 3 (a – cho Ví dụ 2; b - Ví dụ 3) Bài giải: 3 6 . 2 σ 10,7N / mm m ax .
75 10
400.600 6.250 10
2
.
400 600 N
B L
d
b b
d 6M
2
B L
d
b
d
b 6 . 2 σ 10,1N / mm m in 3
.
75 10
400.600 6.250 10
2
.
400 600 N
B L
d
b b
d 6M
2
B L
d
b
d
b a) Xác định ứng suất phản lực lớn nhất và nhỏ nhất ở bản đế chân cột: b) Xác định khoảng cách từ trọng tâm vùng nén đến tim hàng bu lông chịu kéo lớn nhất: 115 c 290mm max
σ σ L σ
d
b
600.10,7
10,1 10,7
max min Chiều dài vùng nén: a 200mm bdL
2 c
3 600
2 290
3 Khoảng cách từ trọng tâm vùng nén đến trục trung hòa: y L 600 50 450mm x
db c
3 290
3
Khoảng cách từ trọng tâm vùng nén đến tim hàng bu lông chịu kéo lớn nhất: 283kN T
1 M N.a
y 250 75.0, 2
0, 45 537,5kN T
2 M N 250
0,5
2
L 75
2 b c) Xác định lực kéo lớn nhất trong bu lông neo: Ví dụ 4. Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm vai: Đề bài: Kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện dầm vai cột khung thép nhẹ có dv sơ đồ và cấu tạo như hình vẽ, cho biết: Dầm vai có sơ đồ công xôn, nhịp e = 0,5 m. wh = 400 mm; dv
wt dv
fb Kích thước tiết diện của dầm vai: = 10 mm; = 250 mm; dv
ft = 14 mm. Vai cột chịu lực truyền xuống từ dầm cầu trục P = 100 kN. Thép có 1 P t h h t t b 1
e 1-1 cường độ f = 210 N/mm2. Hệ số điều kiện làm việc của kết cấu, c = 1. Hình 1.104. Hình vẽ cho Ví dụ 4 Bài giải: a) Kiểm tra ứng suất pháp tại biên của bản cánh dầm vai: = f.
c M
max
dv
W
x .e
P
dv
W
x 116 b t 3
dv dv
f dv
f I 2. dv
x
2 3
h
w
12 3 4 4 .
2 250 10 . 35339 10 . mm dv
b h
f
12
3
.
250 428
12 400
12 4 . 3 3 = .
1651 10 m m dv
W
x .2
d
v dv
I
x
h .
35339 10 2
28
4 3 . . 2 2 σ 302,8N / mm f .γ 210.1 210N / mm c 100 10 500
3
.
1651 10 trong đó: Do vậy, tiết diện không đủ bền theo điều kiện ứng suất pháp. σ 1, .
f.
15
γ td 2
σ
1 2
.
3 τ
1 c b) Kiểm tra ứng suất tương đương tại vị trí tiếp giáp bản cánh với bản bụng: 5 . 2 . 283N / mm σ
1 dv
w
d
v 10 500 400
3
1651 10 428 . 2 20,5 N / mm τ
1 4 3
100.10 725000
.
.
35339 10 10 . hM
.
dv
W h
x
dv
V.S
f
dv
dv
.t
I
w
x dv h t 3 dv
f b .
t 50.14
2 725000mm . dv
S
f dv
f dv
f
2 428 14
2
2 2 σ 2
283 .
3 20,5 285 N / mm td 2 1,15 .
f .γ 1,15.210.1 242N / mm
c trong đó: Do vậy, tiết diện không đủ bền theo điều kiện ứng suất tương đương. Ví dụ 5. Kiểm tra khả năng chịu lực của bu lông trong liên kết: Đề bài: Kiểm tra khả năng chịu lực của bu lông trong liên kết có cấu tạo như ở Hình 1.105, cho biết: Nội lực tính toán ở liên kết: M = -160 kNm; N = 65kN; V = 45kN. Các kích thước: a1 = 100 mm; a2 = 55 mm; a3 = 55 mm; a4 = 120 mm, a5 = 45 mm; b1 = 100 mm; bf = 200 mm; h = 500; l = 610 mm. Bu lông có đường kính d = 20 mm; Khả năng chịu lực tính toán của bu lông về chịu kéo và chịu trượt, [N]tb = 98 kN; [N]b = 36 kN. Hệ số điều kiện làm việc của liên kết, c = 1. Bài giải: 117 a) Xác định lực kéo và lực cắt lớn nhất trong 1 bu lông ở vị trí xa nhất so với tâm N b.max N
1 V
n V
n 4a a M4a
4
2
9a
4 2
4 2
4 2
4 M.h
1
2
h
2
i
2 16a 82, 4kN M
15a V
n 160
15.0,12 65
1
0 4 V 4,5kN b.max V 45
10
n N = N1 b.max N 2 N 3 N 4
h1 h
2 h
3 N M h
4 t s V f 1
b b A A V h N M l A-A a1
a 2 f 1
b b a
4
2 a a a a a 4 4 4 4 3 25-30 l quay: Hình 1.105. Hình vẽ cho Ví dụ 5 và Ví dụ 6 N 82, 4kN N .
γ 8k 98.1 9 N
b.max c tb b) Kiểm tra khả năng chịu lực theo điều kiện bền: N 4,5kN N .
γ N 36.1 36k
b.max c b Bu lông đảm bảo khả năng chịu kéo. Bu lông đảm bảo khả năng chịu trượt. Ví dụ 6. Xác định chiều dày mặt bích trong liên kết: 118 Đề bài: Xác định chiều dày mặt bích trong liên kết có cấu tạo như ở Hình 1.105, cho biết: Nội lực tính toán ở liên kết: M = -160 kNm; N = 65 kN. Các kích thước: a4 = 120 mm; b1 = 100 mm; bf = 200 mm.Cường độ tính toán của thép làm mặt bích, f =
210 N/mm2. Bài giải: t max 1,1 ;1,1 b .N
1
b.max
(b b ).f
1
b . N
1
i
b h .f
1
Căn cứ vào yêu cầu chịu lực chiều dày mặt bích được xác định từ công thức: trong đó: b = bf = 200mm; N x
b.ma N
1 N
n 160 N
n M
15a N
n 65
15.0,12 10 4a a 4 M.h
1
2
h
2
i
M4a
4
2
9a
4 2
4 2
4 2
4 h1 = 4.a4 = 4 .120 = 480mm; N N N N N 1 2 3 i 4 2 3 4 h
h h
h 3
4 2
4 1
4
N 1
1
1 h
h
1 1
N 1
1
N b max . N
1 N
n M.h
1
h
2 160 N M N
n
15a
n 65
15.0,12 10 4a a 4 2
i
M4a
4
2
9a
4 2
4 2
4 2
4 2,5.82, 4 206kN;
.
2,5
N
1 3 . t max 1,1 ;1,1 3
100.82, 4 10
200 100 210 .
100.206 10
200 480 210
max 12,6mm;13, 2mm 13, 2mm Căn cứ vào chiều dày tiêu chuẩn của thép tấm định hình, chọn chiều dày mặt bích là 14 mm. Ví dụ 7. Kiểm tra khả năng chịu lực của xà gồ: 119 Đề bài: Kiểm tra khả năng chịu lực của xà gồ bằng thép chữ C, cho biết: Nhịp xà gồ B = 4,5 m. Sơ đồ tính xà gồ theo 2 phương là dầm đơn giản. Tải trọng tiêu chuẩn
tác dụng lên xà gồ (bao gồm cả trọng lượng bản thân) qc = 2,02 kN/m; hệ số độ tin cậy về tải trọng, q = 1,1. Độ võng cho phép, [/B] = 1/200. Góc dốc của mái, = 11°. y q = q.sin q = q.cos y x x qy x B B q qx Thép có cường độ chịu kéo, nén f = 230 N/mm²; mô đun đàn hồi E = 210000 N/mm².
Hệ số điều kiện làm việc của kết cấu, γc = 0,9. Tiết diện xà gồ có: Ix = 790,84 cm4; Wx
= 63,27 cm³; Iy = 42,87 cm4; Wy = 8,88 cm³. Hình 1.106. Hình vẽ cho Ví dụ 7 Lời giải: c
q sin 0
2,02s in11 0,39kN / m c
q
y c
q cos 0
2,02cos11 1,98kN / m c
q
x q sin 0
2,02.1,1 sin11 . 0, 42kN / m tt
y c
qq
q cos 0
.
2,02.1,1 cos11 2, 18kN / m tt
x c
qq
a) Xác định tải trọng: 2 2 2 2 b) Kiểm tra bền: x x tt
q .B
x
.
8
W
x tt
q .B
y
.
8
W
y 2 2 206,9N / mm f . 230.0,9 207N / mm c M .
2,18 4500
8.63270 .
0, 42 4500
8.888
0 M
y
W W
y Xà gồ đảm bảo khả năng chịu lực về điều kiện bền. 2 2 4 4 2
x 2
y c
.
q .B
5
y
.
384
E.I c
.
q .B
5
x
.
I
384
E. y x
2 2 4 4 4 4 .
5.0,39 4500
384.210000.42,87 10 . .
5.1,98 4500
384.210000.790,84 10 .
2 2 23,6 6,5 24,5mm 22, 5mm
B
200 4500
200 c) Kiểm tra võng: 120 Xà gồ không đảm bảo khả năng chịu lực về điều kiện biến dạng. Kết luận: Xà gồ đảm bảo khả năng chịu lực về điều kiện bền, nhưng không đảm bảo khả năng chịu lực về điều kiện biến dạng. Ví dụ 8. Xác định mô men uốn lớn nhất trong dầm cầu trục: Đề bài: Xác định mô men uốn lớn nhất trong dầm cầu trục chịu tải trọng là áp lực đứng của các bánh xe cầu trục, cho biết: Dầm có sơ đồ đơn giản, nhịp B = 10 m. Nhà có 2 cầu trục hoạt động, chế độ làm việc trung bình (hệ số tổ hợp tải trọng nc = 0,85). Số lượng bánh xe cầu trục ở một phía là 2. Bề rộng gabarít và bề rộng đáy của max = 158 kN (hệ số độ tin cậy của tải trọng γp = 1,1). Hệ số động lực k1 = 1. cầu trục Bk = 6,11m; Kk = 5,1m. Áp lực đứng tiêu chuẩn lớn nhất của một bánh xe cầu
trục Pc Không xét đến trọng lượng bản thân của dầm. k k k k B
K B
K B
K B
K k k k k a P P P P P P P P CT-1 R=3P
CT-2 CT-1 CT-2 C O A B A B V=Vmax a/2 a/2
B B y =11 y 2 y 3 (a) (b) Mmax Bài giải: Hình 1.107. Hình vẽ cho Ví dụ 8 và Ví dụ 9 (a – cho Ví dụ 8; b - Ví dụ 9) M 3P A B a
2
2
P K P P K B K K K a
2 B a
2
2 B a
2
2
B
2
K K B B a
K K K B
2 a B a
2
2
2 B a
2
2 3
2 2 K B B a
K K 3
2 3B 3a
2
2 2 K B K K 1,37m a
3 2.5,1 6,11
3 a) Xác định khoảng cách a: 121 P n .
. P 1.1,1.0,85.1 N 58 148k
k .
1 p c
c max M 3P 0 0
A .
B
V
B B a
2
3.148 10 1,37 . 252kN V
B 3P B a
.
2
B 2
10 b) Xác định phản lực tại gối B, VB: c) Xác định mô men uốn lớn nhất trong dầm, Mmax: Mô men lớn nhất xuất hiện tại điểm C. Viết phương trình cân bằng mô men tại M 0 M 0 C 3P.a V
B m ax B
2 a
2
B M 3P.a 3.148.1,37 824,3kNm
max V (B a)
2 252(10 1,37)
2 điểm C đối với nửa phải dầm ta có: Ví dụ 9. Xác định lực cắt lớn nhất trong dầm cầu trục Đề bài: Xác định lực cắt lớn nhất trong dầm cầu trục chịu tải trọng là áp lực đứng của các bánh xe cầu trục, cho biết: Dầm có sơ đồ đơn giản, nhịp B = 6 m. Nhà có 2 cầu trục hoạt động, chế độ làm việc nặng (hệ số tổ hợp tải trọng nc = 0,9). Số lượng max = bánh xe cầu trục ở một phía là 2 bánh. Bề rộng gabarít và bề rộng đáy của cầu trục Bk
= 3,65m; Kk = 2,7m. Áp lực đứng tiêu chuẩn lớn nhất của một bánh xe cầu trục Pc 35,3 kN (hệ số độ tin cậy về tải trọng γp = 1,1). Hệ số động lực k1 = 1,1. Không xét đến trọng lượng bản thân của dầm. Bài giải: 1 1y K ) B (B
K y 0,84 2 K
B 6 (3,65 2,7)
6 K y 9
0,3 3 B B
B 6 3,65
6 a) Xác định các tung độ đường ảnh hưởng: P .n .P 1.1,1,1.0,9.35,3 38, 4kN k .
1 p c
c max b) Xác định áp lực bánh xe tính toán: c) Xác định lực cắt lớn nhất trong dầm, Vmax: Lực cắt lớn nhất chính là phản lực bên phải gối A: V P 38, 4 1 0,84 0,39 85, 6 N k max i .
y 122 Ví dụ 10. Tính toán xà gồ mái dùng thép dập nguội (tham khảo) Đề bài: Chọn xà gồ mái từ thép dập nguội tiết diện chữ Z theo hướng dẫn của nhà sản xuất BHP theo quy phạm Úc, xà gồ chịu tải trọng gió theo chiều hướng ra khỏi
mái, chính là tải trọng gió bốc tính với áp lực gió tiêu chuẩn w0 = 1,25 kN/m2 và hệ số độ tin cậy của tải trọng, p = 0,9; khoảng cách xà gồ axg = 1,2m; hệ số độ cao k = 0,92; hệ số khí động ce = - 0,7 và theo chiều hướng vào xà gồ chính là tải trọng tính toán do
trọng lượng bản thân tôn (quy ra mặt bằng 0,0828 kN/m2), trọng lượng bản thân xà gồ
(0,0859 kN/m2) và tải trọng tạm thời trên mái (0,30 kN/m2), nhịp xà gồ (bước giàn) B = 6,0m, sơ đồ tính xà gồ là dầm đơn giản có một thanh giằng xà gồ theo mặt phẳng mái tại vị trí ở nhịp xà gồ. 0,7.1, 25.0,92.1, 2. 1,039kN / m q ' q
0
0,9(8, 28.1, 2 8,59)cos15
gio 0 1, 2
cos15 tt q q (0,30.1,3 0, 0828.1,1).1,2 0,0859.1,1 0,6718kN / m
Bài giải: Tra Bảng 1.14 để xác định tải trọng cho phép ứng với tiết diện C(Z) 200, tương ứng với dòng kẻ ngang với nhịp B = 6,0m, tải trọng hướng ra khỏi mái mà xà gồ có thể chịu được, khi ở nhịp xà gồ có một thanh căng, là [q’] = 1,23 kN/m > q’ = 1,039 kN/m và [q] = 1,68 kN/m > q = 0,6718 kN/m. Vậy tiết diện xà gồ chọn số hiệu Z20015. Bảng 1.14. Tải cho phép (kN/m) cho dầm đơn giản / loại tiết diện C(Z) 200 Tiết diện 20015 Tải trọng Hướng vào Hướng ra Tải gây võng Số điểm giằng 0, 1, 2, 3 1 2 0 3 …. …. …. …. …. …. …. 5700 1,86 1,47 1,86 0,58 1,95 1,86 )
B
(
p
ị
h
N 6000 1,68 0,48 1,67 1,68 1,68 1,23 6300 1,52 1,03 1,52 0,40 1,44 1,52 …. …. …. …. …. …. …. Ghi chú: Trích từ Bảng 3.3 của Phụ lục 3, tài liệu [4, tr 135] 123 Ví dụ 11. Tính dầm cầu trục tiết diện chữ I định hình với sức trục nhỏ (tham khảo) Đề bài: Chọn tiết diện dầm đỡ hai cầu trục, sức trục Q = 10 tấn, chế độ làm việc trung bình, nhịp cầu trục Lk = 16,5m, bước cột B = 6m; tiết diện dầm thép chữ I định
hình cán nóng, mác thép CCT38s có cường độ tính toán chịu kéo f = 23 kN/cm2, hệ số an toàn lấy γn = 1,0. Bài giải: a) Chọn sơ bộ tiết diện dầm Tải trọng của dầm cầu trục lấy theo Phụ lục 3.3 của tài liệu [8]. Áp lực tiêu chuẩn lên bánh xe Pmax = 85kN, khối lượng cầu trục G = 13,0 tấn, khối lượng xe con Gxc = 3kN T
1 0,05(Q G )
xc
n 0,05(9,8.10 9,8.2, 4)
2 0 2,4 tấn, ray cầu trục KP70, sơ đồ cầu trục theo Hình 1.108. (hệ số 9,8 để chuyển khối lượng sang trọng lượng). 1,0.0,85.1,1.85 79, 48kN P k n.n .P
1 c max T k n.n .T 1, 0.0,85.1,1.3,0 2,8kN 1 c 1 Tải trọng tính toán của bánh xe cầu trục: Xác định nội lực tính toán: Chất tải trọng lên dầm cầu trục, xác định mô men uốn ở nhịp và lực cắt gối đỡ khi hai cầu trục di chuyển đến vị trí gây bất lợi nhất cho dầm 500 4400 1000 4400 500 500 4400 1000 4400 500 P P P P P P P P CT-1 CT-2 CT-1 CT-1 6000 6000 (a) (b) y =1,0 y =1,5 y =1,0 y =0,83 y =0,01 2 1 1 2 3 Hình 1.108a và Hình 1.108b. Hình 1.108. Sơ đồ chất tải dầm cầu trục xác định mô men uốn và lực cắt Giá trị mô men uốn tính toán tại nhịp gây bởi tải trọng thẳng đứng (P) và ngang M .P. y 1,05.79, 48.2,5 208,6kNm x i y M T.
2,8.2,5 7,0kNm
y i (T), xem Hình 1.108a: 124 Giá trị lực cắt tính toán tại gối gây bởi tải trọng thẳng đứng (P) và ngang (T), Q .P y 1,05.79, 48.1,93 161,0kN x i Q T y 2,8.1,93 5, 4kN
y i xem Hình 1.108b: 3 W 1133,7cm x,yc
x
f 20860.1, 25
23.1,0 M
c Lựa chọn sơ bộ tiết diện dầm theo công thức, Xác định độ võng của dầm với sơ đồ chất tải ứng với một cầu trục có bánh xe đặt ở giữa dầm, ở đây [] = B/400 = 600/400 = 1,5cm (khi cầu trục có chế độ nhẹ và trung 3 2 4 I 12380cm x,yc 4 85.600
48.2,06.10 .1,5 P .B
max
48.E.[ ]
bình). Xác định mô men quán tính yêu cầu theo điều kiện độ cứng: Từ điều kiện bền Wx Wx.yc và Ix Ix.yc ta chọn tiết diện dầm cầu trục từ thép định hình I55, theo bảng tra ở Phụ lục của tài liệu [1], để dầm có đủ độ bền và độ cứng. Tuy nhiên, để bảo đảm liên kết ray vào móc thì nên chọn loại dầm hình có bề rộng cánh, bf 220 mm. b) Xác định các thông số Xác định các đặc trưng hình học của tiết diện: Ix = 55962cm4, Iy = 1356cm4; Wx
= 2035cm3, Wy = 151cm3, h = 550mm, tw = 11,0mm, bf = 180mm, tf = 16,5mm, S1/2 =
1181cm3. Mô men quán tính của cánh trên đối với trục y, If,y = Iy/2 = 1356/2 = 678
cm4; mô men chống uốn của cánh trên Wf,y = Wy/2 = 151/2 = 75 cm3.
c) Kiểm tra bền tiết diện dầm Kiểm tra khả năng chịu lực của dầm theo điều kiện bền về ứng suất tiếp và ứng y 2 2 x 19,59kN / cm f 23kN / cm 20860
2035 701
75 MM
W W
fy x 2 2 3,1kN / cm f 0,58f 13,3kN / cm v 161, 0.1181,0
55962.1,1 Q S
max 1/2
I t
x w suất pháp: Độ bền của dầm được đảm bảo. d) Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm 125 Kiểm tra ổn định của dầm cần thiết xác định φb, ta tính tham số α (xem trang 123 2 2 t 1,54 1,54 13,5 l
o
h I
I 600
55 99,9
1356
y tài liệu [1]), 3 3 4 I 99,9cm (1,1 .51,7 2.1,65 .18)
t 3
(t h
w w 3
2t b )
f f 1,3
3 1,3
3 ở đây mô men quán tính chống xoắn tiết diện dầm: Chiều cao của bụng dầm hw = h – 2tf = 55 - 2.1,65 = 51,7cm. Theo Bảng 3.3 của tài liệu [1], = 1,75 + 0,09 = 1,75 + 0,09.13,5 = 2,965 (tải trọng tập trung đặt vào cánh trên). 2 2 4 I y 2,965 0,91 1 I h
l E
f 2,06.10
23 1356
55
55962 600
x ef
Theo công thức 3.28a tài liệu [1]: M 20860 y 2 20,61kN / cm x
W W 0,91.2035 701
75 M
b x fy 2 0,95.23 21,85kN / cm f
c Bởi vì φ1 < 0,85 thì φb = 0,68 + 0,21φ1 = 0,68 + 0,21.1,097 = 0,91 Như vậy ổn định của dầm đảm bảo. Ta tiến hành kiểm tra độ bền theo điều kiện ổn định cục bộ của bụng. Đối với cầu trục có chế độ làm việc trung bình và nhẹ, hệ số γs = 1,0. Lấy ray KP70 và cố định bằng móc (không có giảm yếu tiết diện dầm). Đối với dầm thép cán nóng, ứng suất σcb,y cần kiểm tra ở tiết diện phía trên của dầm. Tuy nhiên, mô men 3 l / t 3, 25 1489 / 1,65 31, 4cm z c I
3
1f w 2 2 1,68kN / cm f . 23kN / cm
cb c 1,1.79, 48
31, 4.1,65 quán tính của cánh nhỏ hơn khoảng 2 lần so với mô men quán tính của ray, vì thế: I1f
Ir = 1489cm4, Độ bền của bản bụng dầm là bảo đảm. Đồng thời, đối với dầm cán nóng thì ổn định của bản bụng và bản cánh chịu nén không cần kiểm tra, vì nó đương nhiên bảo đảm về điều kiện cần. 126 Tổng chi phí thép làm dầm Gb = g.B.ψk = 92,6.6.1,05 = 583,4 kg (g - trọng lượng dầm theo chiều dài; k – hệ số tính đến chi phí thép làm các chi tiết phụ). Ví dụ 12. Tính dầm cầu trục tiết diện chữ I tổ hợp hàn với sức trục nhỏ (tham khảo) Đề bài: Theo số liệu của Ví dụ 11, chọn tiết diện dầm ở dạng chữ I tổ hợp hàn b
y 300
y 500 4400 500 t 0
1 h P P CT-2 2
,
2
0
2 x x x x y h h 8
,
6
4 0
8
4 0
0
5 t 10 h 8
,
6
9
2 3000 3000 t 0
1 6000 y
b y
150 (c) (a) (b) với việc mở rộng cánh trên (Hình 1.109a). Hình 1.109. Tiết diện dầm cho Ví dụ 12 và sơ đồ chất tải (a, b – kích thước tiết diện dầm; c – chất tải dầm xác định mô men uốn lớn nhất) Bài giải: a) Chọn sơ bộ tiết diện dầm x M
W M
x
W
1x 2x Từ điều kiện cân bằng ứng suất ở cánh trên và cánh dưới, theo tài liệu [8, tr 188], 1x 2 1, 25 W h
h
W 2x 1 Hệ số không đối xứng W1x và W2x – mô men chống uốn của cánh trên và cánh dưới. 3 3 h W .906.80 49, 43cm kt 2x.yc w ( 1) 3
3.1, 25
(1, 25 1)
Chiều cao tối ưu (hkt) của dầm xác định theo công thức (1.159): 3 x W 906cm 2x.yc M 20860
f 23 w 80
w h
t w trong đó: Chiều cao tối thiểu của dầm xác định theo công thức (1.160): 2 2 ) h 30,6cm min 4 5.600 .23.12750.2, 25
48.2,06.10 .1,5.20860.1, 25 5B f . M (1
c
xn
48E[ ]M
x 127 trong đó: Mxn - mô men do tải trọng tiêu chuẩn của một cầu trục gây ra, thấy rằng khi một M 12750kNm xn P .B 85.600
max
4 4 bánh xe đặt ở giữa nhịp dầm sẽ gây mô men lớn nhất cho nhịp (Hình 1.109c). [] – độ võng giới hạn cho phép. [] = B/400 = 600/400 = 1,5 cm Ta chọn chiều cao dầm gắn với chiều cao tối ưu, có thể lấy hb = 50 cm, chọn chiều dày cánh tf = 1,0 cm, chiều cao bản bụng hw = hb - 2tf = 50 - 2.1,0 = 48 cm. Chiều dày bản bụng lấy từ điều kiện chịu cắt, điều kiện ổn định cục bộ và điều max t 0, 25cm w 1,5.106,8
48.13,34 1,5Q
h f
w v h 48 t 0, 29cm; w 4 w
5,5 E / f 5,5 2,06.10 / 23 kiện bền cục bộ dầm khi dùng ray KP-70, theo đó: 2 2 3 3 t 0, 26cm w 3 1,1.79, 48
3, 25 1489.23 P
f 1
c I f
3
1f
23 w
w 2,19 2, 2
4 h
t f
E 48
0,7 2,06.10 w Ta lấy các yêu cầu cấu tạo, chiều dày bản bụng tw = 7mm, khi đó: Thấy rằng, việc đặt các sườn cứng là không cần thiết, khi chiều dày của bụng nhỏ hơn cần gia cường bằng bằng sườn cứng (lúc đó việc chế tạo dầm phức tạp hơn). Diện tích cần thiết của tiết diện cánh dầm xác định gần đúng theo các công thức (2 2 w w A W 906 18, 45cm 1f ,yc 2f ,yc
h )h t
6 1, 25
50 (2 1, 25).48.0, 7
6 W (2 2 w w A 11, 4cm 2f ,yc 2f ,yc
h 869
50 (2.1, 25 1).48.0, 7
6.1, 25 1)h t
6
(1.163) và (1.164), 128 Ta lấy tiết diện các cánh với độ dự trữ tính tới khả năng mất ổn định tổng thể, cánh trên (300x10)mm, cánh dưới (150x10)mm (Hình 1.109b). b) Xác định các thông số Xác định vị trí trọng tâm và đặc trưng hình học của tiết diện đã chọn: y 4,68cm 30.24,5 15.24,5
78,6 A = 30.1+15.1+ 0,7.48 = 78,6cm2 h1 = 25 – 4,68 = 20,32cm 3 1562, 2cm W
1x 31744,16
20,32 3 W 1069,5cm 2x 31744,16
29,68 3 796, 2cm 30.19,82 0,7.24
S
1/2 24
2 3 4 2250cm I
1f 3
t b
1 1f
12 1.30
12 2 3 W 150cm 1f ,y 2
t b
1f
1f
6 1.30
6 8,66cm i
1f ,y 2250
30 I
1f ,y
A
1f h2 = 25 + 4,68 = 29,68cm
Ix = 30.19,822 + 15.29,822 + 0,7.483/12 + 0,7.48.4,682 = 31744,16cm4 c) Kiểm tra bền tiết diện dầm tại bản cánh trên và cánh dưới M y 2 2 x 18, 2kN / cm f 23kN / cm M
W W 20860
701
1562, 21 150 1x 1f ,y Đối với cánh trên, 2 2 x 19,5kN / cm f 23kN / cm 20860
M
W 1069,5 2x 2 2 3,82kN / cm f 13,34kN / cm v 106,8.796, 2
31744,16.0,7 Q S
max 1/2
I t
x w Đối với cánh dưới, d) Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm 129 Khảo sát cánh trên như thanh chịu nén - uốn với lực nén tác dụng (N) và mô men 2 x 13,35kN / cm
x 20860
M
W 1562, 21 1x N A 13,35.30 40 0kN f x l 23 o 1f ,y 2,31 4 f
E 600
8,66 2,06.10 i
1f ,y uốn (My), tính các giá trị: m 1,0. 0,35 ef M A
y
1f
NW 701.30
400.151 1f ,y (lấy hệ số = 1,0) Tra bảng Phụ lục II.2 của tài liệu [1] ta được e = 0,64, kiểm tra ổn định của cánh 2 2 20,83kN / cm f . 23.0,95 21,85kN / cm c N
A 400
0,64.30 e f nén dầm theo công thức: Ổn định tổng thể của dầm được bảo đảm. e) Kiểm tra ổn định cục bộ của bản cánh và bản bụng 4 t )
w f 14,96 14,65 0,5
b
t (b
1f
2t 30 0,7
2.1 2,06.10
23 1f 1f 23 w
w 2,19 2, 2
4 h
t f
E 48
0,7 2,06.10 w Ổn định cục bộ của cánh trên dầm được bảo đảm vì: Kiểm tra ổn định cục bộ của bản bụng dầm là không cần thiết. Vì vậy, việc lắp đặt các sườn cứng theo phương ngang dầm là không cần thiết. f) Kiểm tra khả năng chịu lực cục bộ Khả năng chịu lực cục bộ của dầm được bảo đảm, vì đã lấy chiều dày của bản bụng lớn hơn so với yêu cầu để đảm bảo khả năng chịu tải yêu cầu. Tổng chi phí thép làm dầm Gb = .A.B.ψk = 7850.78,6.10-4.6.1,05 = 388,7 kg ( - khối lượng riêng của thép; A – diện tích tiết diện dầm; k – hệ số tính đến chi phí thép làm các chi tiết phụ). Nhận xét kết quả về chi phí thép làm dầm thông qua Ví dụ 11 và Ví dụ 12: Thấy rằng, tổng lượng thép làm dầm với tiết diện định hình có bản cánh rộng là 583,38 kg (theo kết quả Ví dụ 11), tiết diện tổ hợp hàn với bản cánh trên mở rộng là 388,7 kg 130 (theo kết quả Ví dụ 12). Tức là cấu tạo dầm cầu trục với sức trục nhỏ dùng dầm tổ hợp hàn sẽ giảm chi phí thép so với dầm tiết diện chữ I định hình cán nóng khoảng 33%. CHƯƠNG 2. KẾT CẤU THÉP NHÀ NHỊP LỚN 131 132 BÀI 8. PHẠM VI SỬ DỤNG VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU NHÀ NHỊP LỚN 8.1. Khái niệm và phạm vi sử dụng a) Khái niệm: Nhà có khoảng cách cột theo phương ngang lớn (trên 40m), nhằm hạn chế số lượng cột trong nhà (tạo không gian lớn không có cột), để đáp ứng tốt yêu cầu sử dụng của công trình. b) Phạm vi sử dụng: - Dùng cho công trình dân dụng: rạp hát, sân vận động quốc gia, nhà ga, nhà xưởng, nhà kho vv... - Các công trình công nghiệp: xưởng đóng tàu, xưởng lắp ráp cấu kiện cồng kềnh. - Công trình công dụng đặc biệt: gara ô tô, hănga máy bay. 8.2. Các đặc điểm của kết cấu nhà nhịp lớn - Nhà xây dựng một tầng, đơn chiếc, có yêu cầu kiến trúc cao. Do vậy, mang tính riêng biệt để phù hợp với công trình đó, khó định hình hoá và tiêu chuẩn hoá. - Kết cấu khung thép sử dụng có kích thước nhịp thay đổi trong phạm vi rất rộng (nhà xưởng thông thường L = 50100m, nhà xưởng lắp ráp máy bay L = 100120m, chiều cao thay đổi H = 810m; nhà xưởng đóng tàu có nhịp L = 2060m, chiều cao thay đổi H = 3040m); - Chịu tác dụng chủ yếu do trọng lượng bản thân và tấm lợp. Do vậy, cần sử dụng vật liệu có cường độ cao (kết cấu hợp kim nhôm) giảm trọng lượng bản thân, dùng vật liệu lợp mái nhẹ (tôn mỏng, chất dẻo hoặc vải bạt), trọng lượng kết cấu giảm đáng kể khi sử dụng kết cấu đặc biệt (dùng kết cấu ứng suất trước, hệ kết cấu không gian, hệ kết cấu mái dây). 8.3. Phân loại kết cấu nhà nhịp lớn 8.3.1. Kết cấu phẳng chịu lực Đó là hệ kết cấu làm việc theo một phương, loại này gồm ba dạng kết cấu cơ bản là: (1) Kết cấu kiểu dầm giàn; (2) Kết cấu khung; (3) Kết cấu vòm. 8.3.2. Kết cấu không gian chịu lực Đó là hệ kết cấu truyền tải trọng theo nhiều hướng, gọi chung là hệ kết cấu làm việc theo hai phương, hệ kết cấu loại này tiết kiệm vật liệu hơn hệ kết cấu phẳng, loại 133 này gồm có các dạng chủ yếu sau: (1) Hệ lưới thanh không gian phẳng; (2) Hệ lưới thanh không gian vỏ; (3) Mái Cupôn. 8.3.3. Kết cấu mái treo chịu lực Khi công trình vượt nhịp rất lớn, sử dụng hệ kết cấu chịu lực là kết cấu dây sẽ đem lại hiệu quả cao, đơn giản trong chế tạo và lắp ráp, kết cấu này còn gọi là kết cấu mái treo, các dây của hệ là các dây cáp làm từ vật liệu có cường độ cao, loại này gồm có: (1) Kết cấu mái dây một lớp; (2) Kết cấu mái dây hai lớp; (3) Kết cấu giàn dây; (4) Kết cấu mái dây hình yên ngựa; (5) Kết cấu hỗn hợp dây và thanh; (6) Kết cấu mái treo vỏ mỏng. 134 BÀI 9. NHÀ NHỊP LỚN VỚI KẾT CẤU PHẲNG CHỊU LỰC 9.1. Kết cấu kiểu dầm, giàn - Hệ kết cấu nhịp lớn kiểu dầm (hoặc kiểu giàn) bao gồm các kết cấu chính đặt theo phương ngang nhà, đó là các dầm hoặc các giàn thép nhịp lớn, và chúng được kê lên cột hay các gối tựa đơn giản, không chịu lực xô ngang. - Kết cấu kiểu dầm, kiểu giàn dùng cho các công trình công cộng, như: nhà hát, nhà văn hoá có mặt bằng hình chữ nhật, nhịp L= 40 100m. a) Kết cấu kiểu dầm - Kết cấu kiểu dầm dùng tương đối ít, nhịp thông dụng L = 35 40m. - Ưu điểm: Sản xuất đơn giản, dễ bảo dưỡng (sơn), đảm bảo yêu cầu thẩm mỹ của công trình. b) Kết cấu kiểu giàn - Kết cấu kiểu giàn thường được sử dụng khi vượt nhịp lớn L= 40 100m. - Kết cấu giàn có thể là sơ đồ siêu tĩnh hoặc tĩnh định. Hình 2.1. Khung phẳng kiểu dầm bụng rỗng và kiểu giàn 9.1.1. Hình dạng giàn Việc lựa chọn hình dạng phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng, yêu cầu kiến trúc cũng như các yêu cầu khác (yêu cầu thông gió chiếu sáng, vật liệu làm mái v.v…): - Giàn cánh song song: dùng cho nhà có độ dốc nhỏ, sơ đồ có thể tĩnh định hoặc liên tục, có thể vượt nhịp đến L = 60m, nhờ có cấu tạo nút giàn giống nhau, chiều dài các thanh bụng bằng nhau nên việc chế tạo đơn giản, do đó chúng được sử dụng tương đối rộng rãi. - Giàn hình thang, đa giác: dùng cho nhà có mái với độ dốc không lớn lắm, i = 1/12 – 1/15, giàn hình đa giác tiết kiệm vật liệu, nhưng chế tạo phức tạp và thường dùng cho nhà một nhịp L = 60 – 90m. 135 - Giàn tam giác: dùng cho nhà có độ dốc lớn, i = (1/5-1/7)L, có thể cấu tạo từ hai nửa giàn sau đó liên kết bằng thanh căng hoặc cấu tạo bằng hai giàn cánh song song có thanh căng và thanh treo, như thế chiều cao chuyên chở sẽ giảm đi, giàn kiểu này dùng cho nhà có nhịp L = 40 – 50m. - Giàn hình cung: Cánh trên dạng Parabol, dùng khi chịu tải trọng phân bố đều, nội lực trong các thanh cánh không đổi, nội lực trong các thanh bụng thay đổi không đáng kể, giàn kiểu này dùng cho nhà có nhịp L = 60 – 100m. - Dạng hình cung hai parabol: Tiết diện thanh trên và dưới như nhau, độ ổn định cao hơn vì trọng tâm giàn được hạ thấp. Hình 2.2. Hình dạng giàn 9.1.2. Hệ thanh bụng Sơ đồ thanh bụng lựa chọn phụ thuộc hình dạng giàn, tải trọng tác dụng và các kết cấu khác liên kết với giàn. Hệ thanh bụng được chọn sao cho trọng lượng của giàn và công chế tạo là ít nhất. Có một số kiểu bố trí hệ thanh bụng như sau: - Hệ thanh bụng tam giác có bổ sung thanh đứng, thanh xiên đầu giàn có thể đi lên hoặc đi xuống, góc nghiêng thanh xiên và thanh cánh 450. - Hệ thanh bụng xiên có các thanh xiên dài chịu kéo, thanh đứng chịu nén. Góc nghiêng thanh xiên và thanh cánh 350. - Hệ thanh bụng phân nhỏ dùng thanh chống phụ, làm tăng công chế tạo và giảm trọng lượng giàn. 9.1.3. Kết cấu dầm giàn Được bố trí theo hệ phổ thông hoặc phức tạp: - Hệ phổ thông: các giàn được kê lên cột với bước giàn lớn nhất là 12m, dùng cho hệ có nhịp trung bình, cấu tạo đơn giản nhưng yêu cầu bố trí hệ giằng mái đảm bảo ổn định cho hệ mái. 136 - Hệ phức tạp: giàn chính đặt theo phương ngang nhà với bước dàn 1824m, giữa hai giàn chính là giàn trung gian theo phương dọc nhà. Giàn chính thường dùng dây 3 3 1 1 2 6000 6000 3 2 1 1 1 2 2 L 12000 12000 căng là hệ giàn tam giác có hai giàn nằm nghiêng. Hình 2.3. Hệ giàn phức tạp - Chiều cao giữa giàn được lấy như sau: (1/8-1/14)L đối với giàn cánh song song, (1/8-1/12)L đối với giàn hình thang, (1/6-1/8)L đối với giàn tam giác, (1/6-1/10)L đối với giàn song song có thanh căng, - Giàn liên tục cho phép giảm 15-20% chiều cao khi xác định theo công thức trên. - Tính toán độ võng giàn do tải trọng, có thể cấu tạo giàn có độ vồng nhất định, độ vồng được xác định bằng tĩnh tải tiêu chuẩn và 1/2 hoạt tải tiêu chuẩn. - Tiết diện thanh giàn chọn với số lượng các thanh trong giàn là ít nhất, dễ cấu tạo nút, liên kết các kết cấu khác đơn giản, trọng lượng giàn và công chế tạo là ít nhất. Tiết diện giàn nhỏ dùng thanh thép góc tổ hợp, thép ống, kiểu một bản bụng. Khi chọn tiết diện thanh giàn cần lưu ý các đặc điểm sau: + Chiều cao tiết diện thanh giàn nên lựa chọn không vượt quá 1/10 chiều dài thanh để giảm ứng suất phụ phát sinh do chiều cao tiết diện lớn sẽ làm tăng độ cứng của nút. + Khi nội lực trong thanh cánh thay đổi nhiều thì cần thay đổi tiết diện thanh; nên bố trí chỗ thay đổi tiết diện là chỗ khuếch đại giàn. + Độ lệch tâm khi thay đổi tiết diện không vượt quá 1,5% chiều cao đối với tiết diện chữ H, chữ thập, chữ T; không vượt quá 4% chiều cao đối với tiết diện chữ I và các tiết diện kín. Nếu độ lệch tâm lớn hơn, cần phải xem xét độ lệch tâm này trong tính toán. 137 + Tiết diện thanh giàn khi nhịp đến L = 50 – 60m, chịu tải trọng nhẹ nên dùng loại một bản bụng, khi nhịp lớn hơn và tải trọng lớn nên dùng hai bản bụng. Hình 2.4 giới thiệu một số kiểu tiết diện thanh cánh của giàn nhịp lớn dùng liên kết hàn. Các giàn nhẹ với nhịp không lớn lắm có thể dùng tiết diện làm từ hai thép góc. Loại tiết diện phổ thông nhất là tiết diện chữ H làm từ thép hình cánh rộng hoặc tổ hợp, chúng thuận tiện khi lắp ghép và định vị, nhưng dễ đọng bụi và gây han gỉ tiết y x x x x x x x x y y y y y
y y y x x x x x x x x y y y
y y
y y y x x x x x x x x y y y y diện. Hình 2.4. Tiết diện thanh giàn Tính toán giàn nhịp lớn tương tự như giàn thường đã giới thiệu ở Kết cấu thép – Phần 1. Khi chiều cao tiết diện thanh giàn lớn hơn 1/10 chiều dài thanh, việc tính toán cần thiết kể đến mô men uốn trong thanh do độ cứng của thanh giàn lớn và nút liên kết của thanh giàn coi là cứng. Vật liệu thép làm thanh giàn nên sử dụng loại cường độ nâng cao, ví dụ như thép 09Mn2, 16Mn2Si v.v... Để sử dụng hiệu quả thép cường độ cao, độ mảnh của các thanh giàn nên chọn từ 40 - 60 9.2. Kết cấu khung 9.2.1. Các loại khung Kết cấu khung dùng khi nhịp L = 40 - 150m. - Ưu điểm: Trọng lượng bản thân bé, độ cứng lớn và chiều cao xà ngang nhỏ. - Nhược điểm: Chiều cao tiết diện cột khung lớn, chịu ảnh hưởng lún móng và thay đổi nhiệt độ. Hình dạng khung có thể đặc hoặc rỗng, 138 - Khung đặc: Dùng cho nhà nhịp L = 50 - 60m, giảm công chế tạo, chuyên chở, thường cấu tạo khung hai khớp hoặc ba khớp, để giảm lực xô ngang cần bố trí thanh căng tại chân cột. Độ cứng đơn vị của cột và xà ngang nên tương đương nhau, chiều cao xà tiết diện hxà = (1/30-1/40)L. - Khung rỗng: Dùng cho nhà nhịp L = 100 - 150m, có thể khung không khớp hoặc hai khớp vị trí có thể móng hoặc đỉnh. Khung không khớp cần móng phải khoẻ và giảm chiều cao xà ngang. Hình 2.5. Sơ đồ khung rỗng Hình 2.6. Minh họa kết cấu phẳng kiểu khung rỗng Hình 2.7. Minh họa kết cấu phẳng kiểu khung, tiết diện đặc 9.2.2. Đặc điểm tính toán và cấu tạo - Với hệ khung đặc tính theo các phương pháp của cơ học kết cấu, sơ đồ là các thanh đi qua trọng tâm tiết diện xà và cột. 139 - Hệ khung rỗng có thể quy về khung đặc tương đương. - Sơ đồ tính khung là các thanh đi qua tiết diện cột và xà ngang (cánh dưới xà ngang rỗng). - Kiểm tra tiết diện cột và xà như cấu kiện nén lệch tâm. - Tại chỗ góc khung tại đó có ứng suất tập trung cần gia cường bằng các bản ốp, sườn. 9.3. Kết cấu vòm Mái vòm dùng trong các công trình: nhà triển lãm, cung văn hoá, bể bơi, chợ có mặt bằng chữ nhật. Mômen uốn trong vòm nhỏ và tiết kiệm vật liệu. 9.3.1. Các kiểu vòm - Vòm hai khớp: vòm có thể tự chuyển vị xoay được, không cứ ứng suất do thay đổi nhiệt độ hoặc lún gối tựa. - Vòm ba khớp: là hệ tính định, móng nhẹ hơn, không ảnh hưởng của lún gối tựa, nhiệt độ, nội lực lớn hơn vòm hai khớp, việc chế tạo khớp đỉnh vòm khó. - Vòm không khớp: sự phân bố mômen tương đối đều do vậy tiết kiệm vật liệu, L L L móng to hơn, ảnh hưởng của lún gối tựa, nhiệt độ. Hình 2.8. Hình dạng vòm - Để giảm lực xô ngang chân vòm lên móng, người ta cấu tạo các thanh căng chân cột, móng chỉ chịu tải trọng đứng. Hình 2.9. Kết cấu vòm 140 9.3.2. Đặc điểm cấu tạo và tính toán 3 y 2 4 1 y 2 1 3 2 L/2 x L/4
L/3 L/2 L/2 a) Cấu tạo Hình 2.10. Cách xác định trục vòm (1 - đường giả thiết ban đầu, 2 - đường cong do gió, 3 - đường trung bình, 4 - trục vòm thiết kế) - Trục vòm trùng với đường áp lực để vòm chịu lực nén, trục vòm chịu tải trọng phân bố đều và đối xứng nên dùng dạng parabol, trong thực tế trục vòm thiết kế dạng cung tròn. - Khi vòm cao có ảnh hưởng của tải trọng gió, trục vòm xác định: ban đầu giả thiết trục vòm là cung tròn (1), sau đó tính đường cong của trục vòm (2) do gió tác L L L dụng hai chiều, trục vòm cuối cùng là đường trung bình của hai trục vòm (1) và (2); Hình 2.11. Đường viền của vòm - Vòm thường kê lên khung (bê tông hoặc thép), khung chịu lực xô ngang kết hợp làm khán đài hoặc phòng chức năng. Khi kê trực tiếp lên móng, phần gần gối vòm không sử dụng được do hạn chế chiều cao, để sử dụng được ta làm chân vòm thẳng. - Kích thước chính của vòm là nhịp vòm (L) và mũi tên võng (), tỷ lệ lợi nhất /L=1/5-1/6, khi tăng giảm lực dọc nhưng tăng mômen trong vòm. Do yêu cầu kiến trúc nên lấy /L = 1/21/5. - Vòm rỗng thường làm dạng cánh song song hoặc khi nhịp lớn chân vòm làm dạng thẳng, vòm lưỡi liềm sự phân bố nội lực không hợp lý. - Hệ thanh bụng vòm rỗng dạng tam giác có thanh chống đứng hay hệ thanh tam giác, thanh đứng có thể đặt vuông góc với thanh cánh hoặc thẳng đứng. Xà gồ rỗng để 141 đỡ tấm mái và giữ ổn định cho giàn được bố trí trong mặt phẳng thanh đứng, để thuận tiện chuyên chở vòm được chia ra từng đoạn dài có chiều dài từ 6 - 9m và khuếch đại 1 1 3 3 2 2 bằng mối nối công trường. Hình 2.12. Sơ đồ thanh bụng vòm rỗng - Chiều cao h tiết diện: vòm đặc h = (1/501/80)L, vòm rỗng h = (1/301/60)L. - Tiết diện có dạng I tổ hợp có bản bụng dày hoặc tổ hợp từ thép góc. Hình 2.13. Tiết diện thanh vòm rỗng Hình 2.14. Vòm Hanga Hình 2.15. Vòm rỗng 142 b) Tính toán - Vòm được tính với tải trọng: tĩnh tải, hoạt tải mái, hoạt tải gió, nội lực trong vòm tính theo công thức: Mômen uốn: M M Hy d x (2.1) N H cos (2.2) x V sin
d Lực nén: V V cos H sin (2.3) x d Lực cắt: trong đó: H - lực xô ngang; y - toạ độ trục vòm; - góc giữa tiếp tuyến và trục vòm với phương ngang; N
2 N I y
Ix x N
2 D Md, Vd - mômen và lực cắt dầm khi xem vòm như dầm đơn giản. Hình 2.16. Sơ đồ tính vòm hai khớp - Nội lực trong thanh vòm rỗng: x + Thanh cánh: N c N a M
x
h
2h (2.4) + Thanh xiên: D ) cos( xV
(2.5) + Thanh đứng: V xV
cos (2.6) - Tiết diện thanh vòm tiến hành tính toán và kiểm tra như giàn thường. 143 - Kiểm tra ổn định: 1,2 1,3
thN
N (2.7) 2 trong đó: N th EI
x
2 2
S
; Nth - lực tới hạn, S - chiều dài nửa vòm; EIx - độ cứng đơn vị của vòm tại 1/4 nhịp; - hệ số chiều dài tính toán kể đến độ cong của vòm phụ thuộc vào sơ đồ vòm và tỷ số f/L; N - lực dọc tác dụng trong vòm; 9.3.3. Khớp chân vòm Gối khớp là bộ phận phức tạp nhất trong kết cấu vòm, gồm ba kiểu sau: a) Khớp bản N N N r t c.lan N * Cấu tạo Hình 2.17. Cấu tạo và sơ đồ kích thước hình học chân vòm - Cấu tạo đơn giản, sử dụng khi phản lực không lớn lắm. * Tính toán - Tính theo điều kiện ép mặt: f c.lan N
2.r.l (2.8) trong đó: N - lực dọc tính toán tại gối. r, l - bán kính và chiều dài con lăn. fc.lan - cường độ ép mặt tính toán theo đường kính của con lăn. - Chiều dày con lăn xác định theo điều kiện chịu uốn: 144 t clan 3N.a
f .l (2.9) trong đó: a, l - kích thước mặt bằng con lăn. f - cường độ tính toán của thép làm con lăn. b) Khớp cối - Dùng với phản lực gối lớn hơn, gồm hai mặt vỏ trụ cứng tiếp xúc với nhau, bulông neo liên kết vào móng. - Tại vị trí truyền lực bản bụng và bản cánh của vòm được gia cường bằng các N N sườn cứng. Hình 2.18. Chi tiết khớp cối c) Khớp đu N N N
max N * Cấu tạo Hình 2.19. Chi tiết khớp đu, phản lực gối - Dùng khi phản lực gối lớn N = 8000 12000kN. - Cấu tạo gồm hai thớt trên và dưới, giữa hai thớt đặt thanh trụ. Vòm được gắn vào thớt trên qua tấm thép hàn theo chu vi tiết diện và bắt bulông vào thớt trên, thớt dưới rộng hơn thớt trên đảm bảo truyền lực ép mặt cục bộ vào móng. 145 - Đề phòng khả năng gây kéo chân vòm, cần bố trí bulông neo ở gối đặt theo trục vòm chống cản trở xoay cho khớp. * Tính toán - ứng suất lớn nhất tại vị trí thẳng đứng: f t
em 0,8N
r.l (2.10) trong đó: t l, r - chiều dài và đường kính thanh trụ. emf - cường độ ép mặt của thép khi tiếp xúc chặt. - Thớt tính như cấu kiện chịu uốn, chịu mômen: M N.a
8 (2.11) trong đó: a - bề rộng của thớt. 9.3.4. Khớp đỉnh vòm Khớp đỉnh vòm có thể dùng khớp bản hoặc khớp đu, có cấu tạo tương tự như khớp gối. Khi vòm rất nhẹ dùng khớp đỉnh vòm dạng tấm hoặc bulông. Hình 2.20. Khớp đỉnh vòm 146 BÀI 10. KẾT CẤU MÁI KHÔNG GIAN NHÀ NHỊP LỚN 10.1. Khái niệm - Mái có kết cấu mà trục các bộ phận chịu lực không nằm trong một mặt phẳng và truyền lực theo cả hai phương, nội lực được dàn đều trên mặt mái. - Đảm bảo độ cứng cần thiết cần làm hai lớp, cấu trúc cơ bản là mạng lưới thanh; kết cấu lưới thanh một lớp có mặt cong gọi vỏ lưới một lớp; kết cấu lưới thanh liên kết với nhau bằng thanh bụng gọi vỏ lưới hai lớp. - Hệ kết cấu không gian dạng vỏ và dạng phẳng. * Ưu điểm: - Số nút, số thanh được định hình hoá lớn nhất. - Giảm kích thước các ô mái và trọng tâm mái nhờ các ô lưới - Hệ kết cấu nhẹ, hình dáng kiến trúc đẹp. - Tính ổn định cao, tránh được phá hoại dưới tác động của tải trọng đột ngột. - Sử dụng các phương pháp thi công hiện đại. * Nhược điểm: - Tính toán chính xác hệ kết cấu đòi hỏi nhiều công sức. - Việc thi công, chế tạo yêu cầu chính xác. 10.2. Hệ thanh thanh không gian phẳng Được sử dụng rộng trong công trình nhịp lớn như: nhà thi đấu, nhà triển lãm, nhà ga, chợ vv… có nhịp tới 50 60m. 10.2.1. Cấu tạo - Hệ lưới thanh gồm ba giàn giao nhau đặt theo ba hướng, có cấu trúc chống xoắn lớn, độ cứng của hệ lớn nhất và giảm trọng lượng nhưng phức tạp về cấu tạo và chế tạo dựng lắp. - Hệ thống hai giàn đặt theo hai hướng, có khả năng chống xoắn kém hơn, nên cần gia cường thanh đặt theo phương đường chéo: cấu tạo nút giàn trên và dưới giống nhau. - Hệ thanh cấu trúc dạng tinh thể, chiều cao hệ h = (1/15 - 1/20)L. - Hệ thanh được kê lên tường, giàn, cột và thường bố trí lùi vào trong, tạo dạng công-xơn nhằm giảm mômen uốn ở nhịp. - Có thể lắp ráp một phần trong nhà máy, khuếch đại tại hiện trường. 147 1 1 1-1 Hình 2.21. Hệ lưới thanh không gian phẳng Hình 2.22. Hệ lưới thanh không gian phẳng Hình 2.23. Hệ lưới thanh không gian phẳng 148 Hình 2.24. Hệ lưới thanh không gian phẳng Hình 2.25. Cấu trúc tinh thể hệ lưới thanh - Hệ thanh vượt được nhịp lớn, sử dụng công trình mặt bằng tam giác hoặc đa giác; kết cấu có thanh và nút giống nhau nên dễ định hình hoá và tiêu chuẩn hoá. - Tiết diện dùng làm hệ lưới có thể: thép ống, thép góc, thép dập, do độ mảnh mọi phương như nhau nên dùng thép ống tiết kiệm khoảng 25% trọng lượng so với khi dùng thép góc. - Góc nghiêng thanh bụng xiên từ 350 - 500 (tốt nhất là 450), khoảng cách nút giàn S = 2 3m; - Cấu tạo nút có dạng: + Khối cầu có lỗ ren: đầu thanh gắn bulông để liên kết vào khối cầu, tiết diện đến 18 thanh, dùng cho thanh tiết diện ống. + Khối cầu rỗng: các thanh ống hàn trực tiếp vào khối cầu vào thanh, có thể chịu được lực N 200kN. + Liên kết thanh bằng thép dập nguội: nút gồm bản mã dập, thanh liên kết vào bản mã bằng bu lông. + Gồm hai nửa ống nối liên kết với nhau bằng bulông, các thanh cánh truyền lực vào ống nối qua ren, các thanh bụng qua bu lông. 149 Hình 2.26. Hình ảnh minh họa cấu tạo nút cầu đặc và rỗng Hình 2.27. Một số kiểu nút Hình 2.28. Một số kiểu nút 150 Hình 2.29. Một số kiểu nút (a) (b) (c) 10.2.2. Tính toán Hình 2.30. Hệ lưới thanh không gian mái phẳng - Quy đổi hệ thanh phẳng thành tấm đặc có độ cứng trụ (D) tương đương: + Với sơ đồ (Hình 2.30a): D=0,37K, + Với sơ đồ (Hình 2.30b): D=0,40K, 2 tg + Với sơ đồ (Hình 2.30c): D=0,46K. K ESA t t 1
A
A d (2.12) trong đó: At, Ad - diện tích tiết diện thanh cánh trên và dưới; S, - chiều dài thanh và góc nghiêng thanh bụng và thanh cánh; - Lực dọc và lực cắt trong các thanh xác định gần đúng: 151 N 0,578 N c xg M S
t
h V S
t
2sin + Với sơ đồ (Hình 2.30a): , , N N c xg M S
d
h V S
d
2sin
+ Với sơ đồ (Hình 2.30b): , , N 0,55 N 1,1 c xg M S
t
h VS
sin
+ Với sơ đồ (Hình 2.30c): , , N 0,50N N 0,50N cm c b c , , trong đó: Nc, Nxg - nội lực lớn nhất trong thanh cánh và thanh xiên tại gối; Ncm, Nb - nội lực lớn nhất trong thanh cánh và thanh bụng phía trong; h - chiều cao hệ lưới thanh; Mt, Vt (Md, Vd) - mômen và lực cắt trong tấm tương đương; 10.3. Hệ thanh không gian dạng vỏ 10.3.1. Cấu tạo - Là hệ thanh không gian một lớp có mặt ngoài cong theo một chiều, dùng cho mặt bằng hình chữ nhật nhịp đến 90m. - Các ô lưới có dạng hình thoi không có thanh chống dọc nên độ cứng theo phương dọc nhà không đảm bảo, sự làm việc như vòm theo phương ngang. - Tải trọng mái truyền lên kết cấu biên đặt dọc theo nhà, kết cấu này phải chịu được lực xô ngang của vòm. Do vậy, ở hai đầu nhà nên đặt các vách cứng. - Tiết diện các thanh trong vòm có thể là thép hình, thép ống, thép dập hoặc là các giàn nhẹ. - Góc nghiêng của thanh đối với phương dọc nhà = 45-600; khi trong ô lưới bố 5 4 L 6 3 B trí thêm các thanh dọc nhà thì độ cứng của kết cấu sẽ tăng lên. Hình 2.31. Hệ thanh không gian dạng vỏ 1 60 o d B L L 1 B B 2 L L 152 1 2 Hình 2.32. Hệ thanh không gian dạng vỏ một lớp Hình 2.33. Cấu tạo nút vỏ một lớp 10.3.2. Tính toán Tự đọc tài liệu 10.4. Kết cấu mái Cupon (tự đọc sách) Định nghĩa: Là kết cấu không gian có mặt cong hai chiều dùng cho các công trình có mặt bằng hình tròn hoặc đa giác. Kết cấu cupôn gồm ba loại: (1) cupôn sườn; (2) cupôn sườn vòng và (3) cupôn lưới (như ở Hình 2.34). (a) (b) (c) 153 Hình 2.34. Sơ đồ cupôn (a - cupôn sườn; b - cupôn sườn vòng; c - cupôn lưới) 10.4.1. Cupôn sườn a) Cấu tạo - Là hệ thống các vòm hoặc sườn (có hai hoặc ba khớp) đặt theo phương bán kính, các sườn được liên kết với nhau bằng xà gồ và giằng giữa các xà gồ. Tấm mái lợp tạo ra mặt ngoài cupôn, thông thường mặt ngoài là mặt tròn xoay. - Tại vị trí đỉnh bố trí một vành cứng (vòng đỉnh), đầu trên các sườn được kê lên vòng đỉnh. Hình 2.35. Cupôn sườn có vòng đỉnh - Các vòng đỉnh phải có độ cứng lớn vì nó chịu nén-uốn-xoắn, hai sườn nối với nhau qua vòng đỉnh được coi là một vòm. 154 - Nếu sườn liên kết khớp với vòng đỉnh, vòng đỉnh có đường kính nhỏ coi như sườn là vòm ba khớp. Nếu yêu cầu kiến trúc cần vòng đỉnh có đường kính lớn lúc này để tăng độ cứng và ổn định cần bố trí thanh chống. - Hệ kết cấu tồn tại lực xô ngang, lực này được truyền lên tường hoặc vành gối (thép hoặc BTCT), vành gối đặt vị trí chân vòm có mặt bằng hình tròn hoặc đa giác. - Tiết diện sườn có thể rỗng hoặc đặc, xà gồ liên kết với sườn đảm bảo ổn định ngoài mặt phẳng cho sườn. b) Tính toán * Tải trọng đối xứng qua trục: - Sườn chịu tải trọng đối xứng qua trục, các sườn chịu tải như nhau và ứng với diện chịu tải tương ứng (chia cupôn thành các vòm riêng rẽ). - Lực xô ngang vành gối thanh bằng thanh căng quy ước. Do có tải trọng, vành q H H A v H H H A th v
th
2 th
2 H 1 H l v p / A v 2 k H l v / 2 Nv N v t h
2 gối biến dạng đàn hồi theo phương đường kính. Hình 2.36. Sơ đồ tính cupôn sườn chịu tải trọng đứng - Thay lực xô ngang H bằng tải phân bố đều p: p nH
2 r
(2.13) trong đó: n - số lượng sườn trong cupôn; H - lực xô ngang của vòm; r - bán kính của vành gối; 155 - Lực kéo trong vành gối: N p.r v n.H
2
(2.14) - Biến dạng của vành: l
v N l
v v
E A
v v n.r.H
E A
v v (2.15) E ,A - môđun đàn hồi và diện tích tiết diện vành gối. v v trong đó: - Biến dạng theo phương đường kính của vành:
v n.r.H
E A
v v (2.16) - Biến dạng của thanh căng quy ước:
th 2r.H
E A
th th (2.17) v - Diện tích thanh căng quy ước với vành gối hình tròn: A th 2 A E
v
n.E th (2.18) 2 v - Diện tích thanh căng quy ước với vành gối đa giác: A sin th
2 4rA E
v
l E
k th (2.19) trong đó: lk - chiều dài cạnh đa giác; - góc giữa hai sườn; - Sau khi có nội lực thanh căng, xác định nội lực trong vòm bằng các phương vd pháp. ;
f
c '
p r
A vd vd - Kiểm tra bền: '
p r N th vd ;
f
c 3EI
2
r
vd - Kiểm tra ổ định: trong đó: rvd, Avd - bán kính và diện tích vòng đỉnh; - áp lực phân bố đều thay thế lực tác dụng ở vòng đỉnh, Ivd - mômen quán tính tiết diện vòng đỉnh đối với trục thẳng đứng;
p’ 156 p' nH
2 r
vd (2.20) * Tải trọng gió: - Tải trọng gió lấy theo tiêu chuẩn TCVN 2737-1995. - Cupôn được chia thành 4 cung: + Cung I và cung III, áp lực gió phân bố đều và tác dụng theo một hướng, gây ra chuyển vị ngang cho cupôn; + Cung II và cung IV, áp lực gió đổi chiều không gây ra chuyển vị ngang cho c q 0,4 q 0,4 q c 1q c 1q II c q 0,4 q I td III I c 1q
I td 0,4 q c q IV cupôn. Hình 2.37. Sơ đồ tính cupôn sườn chịu tải trọng ngang - Vòm vị trí cung I và III có chuyển vị lớn nhất, được quy về một vòm tương m đương có mômen quán tính: I I td
cos i 1
(2.21) trong đó: I - mômen quán tính một vòm; - góc nghiêng vòm thứ i đối với phương của áp lực gió; m - số lượng vòm ở cung I và III; - áp lực gió phân bố gồm phần đỉnh (gió hút đối xứng) và chân vòm (gío không đối xứng). Sơ đồ tính của vòm tương đương là thêm gối đàn hồi tại đỉnh vòm. 157 2
M dx
y - Hệ số đàn hồi bằng chuyển vị do lực đơn vị X = 1 và Y = 1; y
x EnI 2
M dx
x
cos EI n , (2.22) xM , yM - mômen uốn trong vòm tương đương do lực đơn vị X=1 và Y=1; trong đó: n - số lượng vòm ở cung II và IV; - Chọn ẩn số là phản lực X và Y của gối đàn hồi, lập và giải phương trình chính tắc ta được nội lực trong vòm. 10.4.2. Cupôn sườn vòng - Gồm các sườn vòm đặt theo phương bán kính, đầu trên tựa vào vòng đỉnh còn đầu dưới kê lên vành gối ngoài ra còn có xà gồ vòng nối các sườn thành hệ không gian cứng. Xà gồ vòng tiết diện đặc hoặc rỗng nối khớp với cạnh sườn, xà gồ chịu kéo-uốn là gối tựa trung gian cho sườn. - Sự làm việc của xà gồ vòng như vành gối cupôn sườn, khi tính toán chịu tải trọng đối xứng thay cupôn thành các vòm phẳng và xà gồ vòng bằng thanh căng quy ước đặt tại vị trí xà gồ. - Dưới tác dụng của tải trọng gió, cupôn bị biến dạng tịnh tiến nên sự làm việc xà gồ rất ít, cupôn sườn vòng tính như cupôn sườn. Hình 2.38. Cupôn sườn vòng q A th3 X 3 A th2 X 2 A th1 X 1 1 158 Hình 2.39. Sơ đồ tính cupôn sườn vòng 10.4.3. Cupôn lưới - Là kiểu kết cấu vỏ lưới thanh, giữa sườn và xà gồ vòng còn có thanh chéo. - Thường làm bằng thép ống, liên kết khớp tại nút và trong thanh chỉ tồn tại lực dọc (mômen uốn cục bộ nhỏ), nhưng liên kết nút rất phức tạp. - Chân bố trí vành gối chịu lực xô ngang, đỉnh có vòng đỉnh kết hợp làm cửa mái. - Cấu tạo các ô: kiểu (a) gồm hai thanh chéo giữa xà gồ và sườn, kiểu (b) hình quả trám, kiểu (c) hình sao. b a c d Hình 2.40. Cupôn lưới Hình 2.41. Các kiểu chia ô 159 BÀI 11. HỆ MÁI TREO 11.1. Giới thiệu chung - Kết cấu chịu lực gồm các phần tử chịu kéo làm bằng dây cáp xoắn ốc bện từ các sợi thép có cường độ cao (b = 120 – 140 kN/cm2); - Sử dụng cho công trình thể thao, nhà công cộng nhịp lớn và các dạng kết cấu khác. 11.1.1. Ưu điểm - Sử dụng triệt để khả năng chịu lực của dây cáp (chỉ có nội lực kéo), trọng lượng kết cấu tương đối nhỏ, vượt nhịp lớn. - Dễ vận chuyển có khả năng lắp dựng không cần dàn giáo. - Kết cấu gối đỡ chiếm phần lớn giá thành công trình. 11.1.2. Nhược điểm - Không sử dụng cho kết cấu nhà công nghiệp (vì giá thành làm kết cấu đỡ cao) và không sử dụng trong nhà công nghiệp có cầu trục. 1,8.105 kN/cm2). - Biến dạng kết cấu lớn (mô đun đàn hồi thấp E = 1,5.105 - Có tính biến hình: khăc phục dùng căng trước và có giải pháp đặc biệt làm tăng khả năng ổn định hình dạng của hệ). 11.2. Kết cấu mái dây một lớp Hình 2.42. Hình ảnh minh họa kết cấu mái dây - Dùng cho các công trình nhịp lớn: gara, hănga, nhà triển lãm, nhà thi đấu, sân vận động, các công trình thường có mặt bằng hình chữ nhật, hình tròn, elip. - Có thể vượt nhịp L = 70 100m, các dây neo chắc chắn vào gối cứng. 11.2.1. Hệ một lớp dây mềm a) Cấu tạo - Dùng cho mặt bằng hình chữ nhật hoặc hình tròn. 160 - Với mặt bằng chữ nhật: hệ gồm dây rải đều neo chắc vào gối cứng ở hai biên song song với mặt bằng mái, hệ gối này thường là các dầm biên song song với mặt bằng mái. - Với mặt bằng hình tròn: kết cấu gồm các dây chịu lực đặt hướng tâm neo vào vành biên và vành ở trung tâm; vành biên làm bằng BT hoặc BTCT, chịu nén; vành trung tâm bằng thép, chiu kéo. - Hệ dây là chỗ tựa cho các lớp mái, các tầm mái liên kết vào dây và liên kết với nhau. Hình 2.43. Sơ đồ kết cấu mái dây (mặt bằng hình chữ nhật, hình tròn) b) Tính toán Tính toán dây mềm tiến hành cho các trường hợp: q T T V V H H y x L (1) Dây mềm không dãn Hình 2.44. Sơ đồ tính dây mềm gối cố định - Khi /L 1/20, bỏ qua biến dạng đàn hồi, coi dây không dãn, có độ võng lớn nhất của dây = max, thường = (1/10 1/20)L. - Đặc điểm của dây: mỗi trường hợp chất tải có một trạng thái cân bằng. - Xác định lực ngang H tại gối tựa một cách chính xác: H 3.L.D
4
1 (2.23) D M q dx x x 0 D - đặc trưng tải trọng, tra bảng, , 161 - Xác định chiều dài dây: L d
L 1
2
8
2
3L
(2.24) Bảng 2.1. Bảng xác định đặc trưng tải trọng D q Sơ đồ tải trọng Giá trị D TT 3q L
2
12 L p 1 3 2 q 4 3 6 4
2
1
2
3
q L
12 x L 2 p
q 3q L
2
80 L P 3 P(L x)x
L x L 4 (2) Dây mềm đàn hồi trên gối cố định 3 2 - Khi /L < 1/20, tính dây phải kể biến dạng đàn hồi, phản lực được xác định bởi: H H D.E.A
2.m.L 8.E.A
2
3.n m
o (2.25) trong đó: n o L
f , m dL
, EA - độ cứng kéo của dây. - Khi dây chịu tải thường xuyên (g) và hoạt tải (p), ban đầu dây võng và có 3 2 phản lực ngang H0, khi chịu tải (p+g) phản lực ngang H xác định: H D.E.A
2.L E.A.D
o
2
2.L.H
o
H H
o
(2.26) trong đó: 1 162 D o 2
V dx
ox 0 ; Do - đặc trưng tải trọng ban đầu, E, A - môđun đàn hồi và diện tích tiết diện của dây; H o 2
qL
8
; Ho - xác định như công thức trên, - Độ võng của dây () được gia tăng thêm (f), phụ thuộc vào sơ đồ và trị số của q q f f
L
L
f 2
f 2 tải trọng (q). Với tải phân bố đều
2
4
3.m .q.L
128.E.A.
Với tải phân bố tam giác
2
4
5.m .q.L
864.E.A.
2 2 m m 1
dL
8
1
3 L
dL
18
5 L
trong đó: trong đó: q T T V V H H y x C a C b L (3) Dây mềm đàn hồi trên gối mềm Hình 2.45. Sơ đồ tính dây mềm gối đàn hồi - Khi dây chịu tải trọng, gối A và B có chuyển vị ngang. Chuyển vị này phụ thuộc độ mềm liên kết gối A (Ca) và B (Cb). Phương trình xác định phản lực ngang H 3 3 của lực dọc Tmax: H H 4C D 0
4
1 3
1 4.L.m
D
4
E.A.H H 4.L.m
E.A
(2.27) trong đó: H - lực ngang xác định theo dây mềm đàn hồi trên gối cố định; C - hệ số độ mềm liên kết, C = Ca + Cb. 163 (4) Dây mềm đàn hồi có ứng suất trước - Nhờ lực căng trước N0 làm dây dãn đảm bảo liên kết hai gối, Vậy dây làm việc 3 2 chịu đồng thời tải trọng và N0, thành phần lực ngang H tại gối xác định: H N H
o DEA
2L (2.28) - Trường hợp đặc biệt khi: Ld = L, 3 có N0=0; m = L, n0=, H DEA
2L thì ; 1 11.2.2. Hệ một lớp dây cứng - Hệ kết cấu gồm: 3 2 (1) tấm mái bằng kim loại, 2 (2) gối cứng ở hai đầu, 0
0
0
4 (3) dây néo, (4) giằng chống, 4 (5) giàn đỡ (dây cáp hoặc gối 5 cứng), 0
0
0
7
5 6 (6) thép hình I cán sẵn, được cố 0
0
0
4 55900 định gối cứng, Hình 2.46. Hệ một lớp dây cứng - Các dây làm việc chịu kéo-uốn, tính toán cần xét đến độ cứng chống uốn của dây và trong dây có mômen (M); 1 2
3
s
s 2
H L
0
10EI 4
(g p)L
80EI 4A
15Im
1 4A
15Im
1
2 1
m
1 L
d
16
3 L
- Độ võng gia tăng f = s - là độ võng do (g+p) xác định từ phương trình sau: trong đó: 164 - độ võng ban đầu; Ho - lực ngang ban đầu; I - mômen quán tính tiết diện dây tính với trục uốn; H H
s f o DEA
2
2L m
1 - Phản lực ngang lớn nhất trong dây khi chịu (g+p) là: M
H
s 2
(g p)L
8 - Mômen uốn trong dây: 1 c H v
2 3 L 4 1 Hc
Hv Hc
Hv H 2 3 L 11.3. Kết cấu mái dây hai lớp 4 2 1 H L Hình 2.47. Sơ đồ kết cấu hệ dây hai lớp Hình 2.48. Sơ đồ kết cấu hệ dây hai lớp - Các bộ phận gồm: (1) lớp dây võng xuống là lớp dây chịu lực (dây chủ), (2) lớp dây vồng lên là lớp dây ổn định (dây căng), (3) các thanh kéo, (4) thanh chống cứng chịu nén liên hệ hai lớp dây. - Nhờ có lớp dây căng cùng làm việc với dây chủ làm tăng độ ổn định hình dáng cho hệ dây, nâng cao độ cứng và có khả năng chịu tải trọng đổi chiều. - Tính toán dây về độ bền và biến dạng được thực hiện cách gần đúng. 165 Xét hệ dây hai lớp, lớp dây chủ có mũi tên võng c và lớp dây căng có mũi tên vồng v chịu tải thường xuyên g, tải trọng thay đổi p và ứng suất trước q0; - Dưới tác dụng của tải trọng thường xuyên phân bố đều g, dây chủ có lực ngang Hc tại gối tựa: H c 2
gL
8
c + Với mái mặt bằng hình chữ nhật: ; H c 2
gL
24
c + Với mái mặt bằng hình tròn: ; H ov T cos
o - Lực căng trong dây T0 gây lực ngang tại gối: - Do lực căng trước sinh ra nội lực trong thanh đứng (tải trọng giữa hai lớp dây) H v 8T
o v quy thành phân bố đều q0 và sinh ra lực ngang Hov; q H o oc 8H
ov
2
L cos
v
2
L ov
c , suy ra , - Giai đoạn tiếp theo, hệ chịu tải trọng p các lớp dây mềm cùng làm việc; coi biến dạng dọc trục các thanh đứng không có: 2 v c v - Lực p phân phối cho các lớp dây theo tỷ lệ độ cứng: m m q v c v 1 L
dv
L L
dc
L m
m A
A 1 c v c
p
1
1
2
với , , , q 1,2p o v - Dây căng có nội lực kéo: f 1 4
L m
c
EA
p
1 c 2
c - Độ võng của hệ chịu tải q: 1 0
0
8
5
1 2 82800 11.4. Kết cấu giàn dây (tự đọc sách) Hình 2.49. Kết cấu giàn dây - Là hệ thống có hai hệ thống dây cải tiến: (1) các thanh cánh dàn dây là dây chủ và dây căng, 166 (2) hệ thanh bụng tam giác đó là các dây xiên, liên kết hai lớp dây chủ và dây căng. - Để kết cấu làm việc như giàn cần căng trước tạo cho các thanh có lực kéo dưới bất kỳ tổ hợp nội lực nào. - Kết cấu giàn dây làm hệ có độ cứng lớn, độ ổn định hình dạng cao. - Việc tính toán có thể tính gần đúng với giả thiết có chuyển vị nhỏ và tính như kết cấu giàn thường. Khi tính chính xác cần xét đến chuyển vị của hệ làm cho góc giữa các dây ở mỗi nút thay đổi (khi hệ kết cấu làm việc). 11.5. Kết cấu mái dây hình yên ngựa (tự đọc sách) - Được tạo nên từ hai lớp dây trực giao, neo chắc chắn vào gối cứng là các vành biên và dầm biên; Hai lớp dây gồm lớp dây võng xuống (dây chủ) chịu lực và lớp dây căng (vồng lên). Nhờ có lớp dây căng trước cho trong các dây luôn có nội lực kéo với bất kỳ tải trọng nào làm tăng độ ổn định hình dạng và độ cứng cho hệ. - Độ ổn định hình dạng cũng như chuyển vị động học của hệ dây phụ thuộc vào lựa chọn mặt cong. - Việc tính toán chính các hệ dây rất phức tạp, mỗi nút có hai ẩn số (chuyển vị và lực tiếp xúc dây chủ và dây căng) và tại mỗi thanh có hai ẩn số (độ dãn và số gia lực căng), vậy tổng có n nút và m thanh thì có 2(m+n) ẩn số. 11.6. Kết cấu hỗn hợp dây và thanh (tự đọc sách) - Sử dụng cho công trình hăng ga, nhà triển lãm. - Hệ kết cấu gồm các xà công xơn và các dây cáp treo các xà này, các dây liên kết chắc vào xà kèo vượt qua đỉnh cột trụ neo vào kết cấu phụ. 167 - Hệ kết cấu đáp ứng nhu cầu sử dụng không gian rộng lớn và yêu cầu kinh tế của công trình. - Có thể tăng số lượng dây neo và điều chỉnh lực kéo trong chúng có thể giảm tối đa mômen uốn trong xà hợp lý hơn. Hình 2.50. Chi tiết kết cấu dây và liên kết Hình 2.51. Kết cấu dây và thanh R=40m 2 3 7800 1 4 160000 11.7. Mái treo vỏ mỏng (tự đọc sách) Hình 2.52. Mặt bằng và mặt cắt mái treo vỏ mỏng 168 - Hệ chịu lực của mái treo có thể là vỏ mỏng bằng các tấm kim loại. Vỏ được tạo từ các bộ phận sau: (1) cáp bện 38,5, (2) mái thép, bằng bản thép dày 6mm hàn với nhau, (3) vành biên cứng BTCT tiết diện 4000x1000mm (4) cột biên BTCT tiết diện 1400x500mm - Kết cấu vỏ chịu kéo và được tăng cường theo nguyên lý của hệ dây hai lớp; vỏ tương ứng như lớp dây chủ, vùng giữa là các giàn hướng tâm đặt trên vỏ, ở vùng biên được tăng cường bằng lớp dây căng hướng tâm. - Hệ kết cấu như trên tạo cho công trình chịu lực tốt nhất khi chịu gió bốc, tăng tính ổn định, hạn chế biến dạng quá mức của vỏ mỏng khi chịu tải không đều đồng thời giải quyết việc thoát nước mái. 169 VÍ DỤ TÍNH TOÁN CHƯƠNG 2 Ví dụ 13. Xác định lực kéo, chiều dài và diện tích tiết diện dây cáp thép Đề bài: Xác định lực kéo (Tmax), chiều dài dây cáp thép (Ld) và diện tích tiết diện cần thiết (Act) của dây cáp thép chịu lực trong hệ dây mềm một lớp không giãn, cho biết: Nhịp dây L = 60 m; mũi tên võng của dây = 5 m; khoảng cách giữa các dây B =
4 m. Dây chịu tác động của tải trọng thường xuyên và tạm thời có trị số tiêu chuẩn: gc
= 0,7 kN/m² (đã kể đến trọng lượng bản thân cáp); pc = 0,3 kN/m². Các hệ số độ tin cậy của tải trọng tương ứng: g = 1,1 và p = 1,3. Cường độ bền kéo đứt tính toán của dây ft = 1200 N/mm². Hệ số an toàn khi xác định lực kéo k = 0,6. Bài giải: Xác định tải trọng tính toán tác dụng lên dây, quy các tải trọng thường xuyên và tạm thời tác dụng trên diện tích mái về phân bố đều trên dây: Do tải trọng thường xuyên: g = 0,7.4.1,1 = 3,08 kN/m Do tải trọng tạm thời: q = 0,3.4.1,3 = 1,56 kN/m - Xác định nội lực dây Tmax Ta có tỷ số /L = 5/60 = 1/12 1/20, nên bỏ qua biến dạng đàn hồi, coi dây không dãn. Phản lực ngang gối tựa H theo mũi tên võng và phản lực đứng gối tựa 2 417,6kN H (3,08 1,56).60
8.5 (g q)L (3,08 1,56).60 V 139, 2kN 2
(g q)L
8
2 2 2 2 2 T 417,6 139, 2 440,18kN 2
V H
max xác định theo công thức: 2 2 L 60,95m d 2 8
2
3L 8.5
3.60
L 1
60 1
- Xác định chiều dài dây Ld 3 2 A 611,36mm ct 440,18.10
1200.0,6 T
max
f .k
t - Xác định diện tích tiết diện cần thiết của dây Ad 170 MẪU PHIẾU TRẢ LỜI TRẮC NGHIỆM 171 MẪU CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 172 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: 1. Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên và nnk (2010), “Kết cấu thép – Cấu kiện cơ bản”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 2. Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tư, Hoàng Văn Quang (2013), “Kết cấu thép – Công trình dân dụng và công nghiệp”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 3. Đoàn Định Kiến (2007), “Thiết kế kết cấu thép Nhà công nghiệp”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 4. Hoàng Văn Quang, Trần Mạnh Dũng, Nguyễn Quốc Cường (2010), “Thiết kế khung thép Nhà công nghiệp”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 5. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737-1995, “Tiêu chuẩn Tải trọng và Tác động - Tiêu chuẩn thiết kế”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 6. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5575:2012, “Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 7. Một số trang web của các tổ chức tư vấn, xây dựng trong và ngoài nước trên Internet. Tiếng Nga 8. Горев В.В., Уваров Б.Ю., Филиппов В.В., Белый Б.И., и др. (2004), Металлические конструкции, Том 2. Конструкции зданий, Издательство: Высшая школа. 9. Кудишин Ю.И.(ред.) (2011), Металлические конструкции, Издательство: Академия. 10. Бирюлев В.В., Кошин И.И., Крылов И.И., Сильвестров А.В. (1990), Проектирование металлических конструкций. Специальный курс, Издательство: Стройиздат. 11. СНиП II-23-81* (2011), “Стальные конструкции”, Aктуализированная редакция, Издание официальное, Москва. 12. Катюшин В.В (2005), Здания с каркасами из стальных рам переменного сечения (расчет, проектирование, строительство), Стройиздат, 2005. 13. http://lib4all.ru/base/B3254/B3254Content.php 173
2 16a
= 82,4kN
2 16a
