intTypePromotion=1
ADSENSE

Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD part 2

Chia sẻ: Shfjjka Jdfksajdkad | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

398
lượt xem
157
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'bài giảng kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22 tcn 272-05 và aashto lrfd part 2', kỹ thuật - công nghệ, kiến trúc - xây dựng phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kết cấu thép theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD part 2

  1. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Phần sau đây giới thiệu tóm tắt về thuộc tính của các cấp thép ứng với các cấp c ường độ khác nhau. Để giúp so sánh các loại thép n ày, các biểu đồ ứng suất -biến dạng giai đoạn đầu và đường cong gỉ phụ thuộc thời gian đ ược cho, tương ứng, trong các h ình 1.5 và 1.6 . Thép các bon công trình Tên gọi như vậy thật ra không đặc tr ưng lắm vì tất cả thép công tr ình đều có các bon. Đây chỉ là định nghĩa kỹ thuật. Các ti êu chuẩn để định loại thép các bon có thể tham khảo trong m ục 8.2.5, t ài liệu [4]. Một trong những đặc trưng chủ yếu của thép các bon công tr ình là có điểm chảy đ ược nhận biết r õ và tiếp theo l à một thềm chảy dài. Điều này được miêu tả trong h ình 1.5 và nó biểu thị tính dẻo tốt, cho phép phân phối lại ứng suất cục bộ m à không đ ứt gãy. Thuộc tính này làm cho thép các bon đ ặc biệt ph ù hợp khi sử dụng l àm chi tiết liên kết. Thép các bon có tính hàn t ốt và thích h ợp cho bản, thanh v à các thép cán đ ịnh hình trong xây d ựng. Chúng đ ược dự kiến cho sử dụng trong nhiệt độ không khí. Mức độ gỉ trong hình 1. 6 đối với thép c ác bon có đ ồng (Cu) bằng khoảng một nửa thép các bon thông thư ờng. Thép hợp kim thấp c ường độ cao Các thép này có thành ph ần hoá học đ ược hạn chế để phát triển c ường độ chảy v à cường độ kéo đứt lớn h ơn thép các bon nhưng lư ợng kim loại bổ sung nhỏ h ơn trong thép h ợp kim. Cư ờng độ chảy cao h ơn (Fy = 345 MPa) đ ạt được trong điều kiện cán nóng h ơn là qua gia công nhi ệt. Kết quả l à chúng có đi ểm chảy r õ ràng và tính d ẻo tuyệt vời nh ư được miêu tả trong h ình 1.5. Thép hợp kim thấp c ường độ cao có tính hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh v à các thép cán đ ịnh hình trong xây d ựng. Các hợp kim n ày có sức kháng gỉ trong không khí cao hơn như cho th ấy trong h ình 1.6. Do có các ph ẩm chất tốt n ày, thép c ấp 345 th ường là sự lựa chọn đầu ti ên của người thiết kế các cầu có nhịp trung b ình và nh ỏ. Thép hợp kim thấp gia công nhi ệt Thép hợp kim thấp c ường độ cao có thể được gia công nhiệt để đạt đ ược cường độ chảy cao hơn ( Fy = 485 MPa). Thành ph ần hoá học cho các cấp 345W v à 485W là g ần như nhau. Vi ệc xử lý nhiệt (tôi thép) l àm thay đ ổi cấu trúc vi mô của thép v à làm tăng cư ờng độ, độ rắn v à độ dai. Sự gia công nhiệt l àm điểm chảy của thép dịch chuyển cao l ên như cho th ấy trong hình 1.5. Có m ột sự chuyển tiếp r õ rệt từ ứng xử đ àn hồi sang ứng xử quá đ àn hồi. Cường độ chảy của c ác thép này thư ờng đ ược xác định ở độ gi ãn bằng 0,5% d ưới tác dụng của tải trọng hoặc ở độ gi ãn bằng 0,2% theo định nghĩa b ù (xem hình 1.5). Thép hợp kim thấp được gia công nhiệt có thể h àn, tuy nhiên ch ỉ thích hợp cho tấm. Sức kháng gỉ trong không khí củ a chúng là gi ống như thép h ợp kim thấp c ường độ cao. http://www.ebook.edu.vn 19
  2. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Hình 1.5 Các đường cong ứng suất -biến dạng ban đầu điển h ình đối với thép công tr ình Hình 1.6 Các đường cong gỉ cho một v ài loại thép trong môi tr ường công nghiệp Thép hợp kim gia công nhi ệt cường độ cao Thép hợp kim l à loại thép có th ành phần hoá học không phải nh ư trong thép h ợp kim thấp cường độ cao. Ph ương pháp gia công nhi ệt tôi nhúng đ ược thực hiện t ương tự như đối với thép hợp kim thấp nh ưng thành ph ần khác nhau của các nguy ên tố hợp kim l àm phát triển cường độ cao h ơn (Fy = 690 MPa) và tính dai l ớn hơn ở nhiệt độ thấp. http://www.ebook.edu.vn 20
  3. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Đường cong gỉ trong không khí đối với các thép hợp kim ( cấp 690) đ ược cho trong hình 1.6 và thể hiện sức kháng gỉ tốt nhất trong bốn cấp thép. Ở đây, c ường độ chảy cũng đ ược xác định ở độ gi ãn bằng 0,5% d ưới tác dụng của tải trọng hoặc ở độ gi ãn bằng 0,2% theo định ngh ĩa bù như miêu t ả trong h ình 1.5. Khi xem xét đường cong ứng suất -biến dạng đầy đủ trong hình 1.4 , rõ ràng các thép được gia công nhiệt đạt c ường độ chịu kéo dạng chóp và ứng suất giảm nhanh hơn so v ới thép không được xử lý nhiệt. Độ dẻo thấp h ơn này có th ể gây ra vấn đề trong một số t ình huống khai thác và, do vậy, cần phải thận trọng khi sử dụng thép gia công nhiệt . 1.3.5 Ảnh hưởng của ứng suất lặp (sự mỏi) Khi thiết kế kết cấu cầu thép, ng ười thiết kế phải nhận thức đ ược ảnh h ưởng của ứng suất lặp. Xe cộ đi qua bất kỳ vị trí xác định n ào đều lặp đi lặp lại theo thời gian. Tr ên đường cao tốc xuyên quốc gia, số chu kỳ ứng suất lớn nhất có thể h ơn một triệu lần mỗi năm. Các ứng suất lặp n ày được gây ra bởi tải trọng sử dụng v à giá trị lớn nhất của ứng suất trong thép c ơ bản của mặt cắt ngang n ào đó sẽ nhỏ hơn so với cường độ của vật liệu. Tuy nhiên, nếu có hiện tượng tăng ứng suất do sự không li ên tục về vật liệu hoặc về h ình học, ứng suất tại nơi gián đo ạn có thể dễ d àng lớn gấp hai hoặc ba lần ứng suất đ ược tính toán từ tải trọng sử dụng. Ngay cả khi ứng suất cao n ày tác dụng không li ên tục, nếu nó lặp đi lặp lại nhiều lần th ì hư hỏng sẽ tích luỹ, vết nứt sẽ h ình thành và sự phá hoại cấu kiện có thể xảy ra. Cơ chế phá hoại n ày, bao gồm biến dạng v à sự phát triển vết nứt d ưới tác đ ộng của tải trọng sử dụng, mà nếu tự bản thân nó th ì không đủ gây ra phá hoại, đ ược gọi l à mỏi. Thép bị mỏi khi chịu mức ứng suất trung b ình nhưng lặp lại n hiều lần. Mỏi l à một từ xác đáng để mô tả hiện t ượng này. Xác định c ường độ mỏi Cường độ mỏi không phải l à một hằng số vật liệu nh ư cường độ chảy hay mô đun đ àn hồi. Nó phụ thuộc v ào cấu tạo cụ thể của mối nối v à, thực tế, chỉ có thể đ ược xác địn h bằng thực nghiệm. V ì hầu hết các vấn đề tập trung ứng suất do sự không li ên tục về hình học và vật liệu có li ên quan đ ến liên kết hàn nên h ầu hết các thí nghiệm về c ường độ mỏi được thực hiện tr ên các lo ại mối hàn. Quá trình thí nghi ệm đối với mỗi li ên kết hàn là cho m ột loạt mẫu chịu một bi ên độ ứng suất S nhỏ hơn cường độ chảy của thép c ơ bản và lặp lại ứng suất n ày với N chu kỳ cho tới khi liên kết phá hoại. Khi giảm bi ên độ ứng suất, số chu kỳ lặp dẫn đến phá hoại tăng lên. K ết quả thí nghiệm th ường được biểu diễn bằng biểu đồ quan hệ giữa log S và log N. Một biểu đồ S-N điển cho môt li ên kết hàn được cho trong h ình 1.7. Tại một điểm bất kỳ trên biểu đồ, giá trị ứng suất l à cường độ mỏi v à số chu kỳ l à tuổi thọ mỏi tại mức ứng suất đó. Chú ý rằng, khi biên độ ứng suất giảm tới một giá trị đặc tr ưng, số chu kỳ ứng suất có thể tăng không giới hạn m à không gây ra phá ho ại. Ứng suất giới hạn n ày được gọi l à giới hạn mỏi của li ên kết. http://www.ebook.edu.vn 21
  4. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Hình 1.7 Biểu đồ S-N điển hình cho các m ối nối h àn Ảnh hưởng của c ường độ của vật liệu c ơ bản Cường độ mỏi của các bộ phận không h àn tăng theo cư ờng độ chịu kéo của vật liệu c ơ bản. Cường độ mỏi n ày được biểu diễn tr ên hình 1. 8 cho cả các mẫu tr òn đặc và mẫu có lỗ. Tuy nhi ên, nếu thép c ường độ cao đ ược sử dụng trong các cấu ki ện hàn thì không có sự tăng trong c ường độ mỏi. Hình 1.8 Cường độ mỏi so sánh với c ường độ tĩnh Sở dĩ có sự khác nhau trong ứng xử n ày là vì trong v ật liệu không h àn, vết nứt phải được hình thành tr ước khi chúng có thể phát triển, trong khi ở các mối nối hàn, vết nứt đ ã có sẵn và tất cả chúng chỉ cần phát triển. Mức độ phát triển vết nứt không thay đổi nhiều theo cường độ chịu kéo; do đó, c ường độ mỏi của mối h àn không ph ụ thuộc vào loại thép được liên kết. http://www.ebook.edu.vn 22
  5. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Ảnh hưởng của ứng suất d ư Nói chung, m ối hàn sẽ không đư ợc giảm ứng suất n ên có th ể giả thiết rằng, ứng suất d ư sẽ tồn tại ở đâu đó trong li ên kết. Nếu một chu kỳ ứng suất có bi ên độ S tác dụng thì biên độ ứng suất thực tế sẽ chạy từ tới và biên đ ộ ứng suất danh định l à S. Do đó, có th ể biểu diễn ứng xử mỏi của một mối h àn chỉ phụ thuộc v ào biên đ ộ ứng suất, không cần biết ứng suất lớn nhất v à nhỏ nhất thực tế. Trong Ti êu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05, mỏi do tải trọng gây ra đ ược xem xét phụ thuộ c vào biên đ ộ ứng suất v à ứng suất d ư được bỏ qua. Nhận xét kết luận về mỏi Mỏi là nguyên nhân ph ổ biến nhất gây phá hoại thép, chủ yếu l à do vấn đề này không được nhận thức đầy đủ trong giai đoạn thiết kế. Sự chú ý thích đáng đến việc lựa chọn mối nối và cấu tạo chi tiết cũng nh ư hiểu biết về các y êu cầu của tải trọng sử dụng có thể loại trừ hầu hết các vết nứt phá hoại, trong khi sự bỏ qua các nhân tố n ày có th ể dẫn đến thảm hoạ. 1.3.6 Sự phá hoại gi òn Một kỹ sư thiết kế cầu phải hiểu những điều kiện l à nguyên nhân gây ra phá ho ại giòn trong thép k ết cấu. Phải tránh phá hoại gi òn vì chúng không d ẻo và có thể xảy ra ở ứng suất tương đối thấp. Khi có những điều kiện n ày, vết nứt có thể lan truyền rất nhanh v à sự phá hoại đột ngột có thể xảy ra. Một trong những ng uyên nhân c ủa phá hoại gi òn là trạng thái ứng suất kéo ba trục có thể xuất hiện ở một khe, r ãnh trong m ột bộ phận hoặc do sự không li ên tục bị cản trở trong m ột liên kết hàn. Phá hoại giòn còn có th ể xảy ra do nhiệt độ môi tr ường thấp. Thép công tr ình thể hiện tính dẻo ở nhiệt độ tr ên 0oC nhưng chuy ển thành giòn khi nhi ệt độ giảm. Liên kết hàn cần được cấu tạo để tránh ứng suất kéo ba chiều v à khả năng phá hoại giòn. M ột ví dụ l à liên kết hàn của sườn tăng c ường ngang trung gian với dầm ghép. Trước đây, s ườn tăng cư ờng này thường đ ược thiết kế có chiều cao bằng chiều cao vách và được hàn cả vào biên nén và biên kéo. N ếu sườn tăng c ường được hàn vào biên kéo như trong h ình 1.9 thì sự cản trở biến dạng của mối h àn khi ngu ội theo ba ph ương sẽ sinh ra ứng suất căng ba chi ều trong vách, l à điều kiện thuận lợi để dẫn đến phá hoại gi òn, đặc biệt khi đồng thời có sự giảm nhiệt độ hoặc có sự không ho àn hảo về vật liệu.V ì vậy, ngày nay, sườn tăng c ường ngang không được phép h àn vào biên kéo . http://www.ebook.edu.vn 23
  6. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Hình 1.9 Liên kết của sườn tăng cư ờng ngang trung gian v ào dầm ghép (a) Cấu tạo không đúng, (b) Cấu tạo đúng http://www.ebook.edu.vn 24
  7. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Chương 2 LIÊN K ẾT TRONG KẾT CẤU THÉP Trong các k ết cấu thép hiện nay, có hai loại liên kết thường được sử dụng: li ên kết đinh và liên kết hàn. Hình 2.1 gi ới thiệu một số dạng li ên kết phổ biến trong kết cấu thép. Liên kết đinh l à cụm từ chung d ùng để chỉ các loại li ên kết có dạng thanh thép tr òn xâu qua l ỗ của các bộ phận cần li ên kết. Như vậy, đinh đại diện cho đinh tán, bu lông, bu lông cường độ cao, chốt … Các loại liên kết đinh được đề cập trong ch ương này là liên k ết bằng bu lông th ường và liên kết bằng bu lông c ường độ cao. Liên kết hàn có th ể được dùng cho các m ối nối ngo ài công trư ờng nh ưng nói chung, chủ yếu được sử dụng để nối các bộ phận trong nh à máy. Tuỳ theo tr ường hợp chịu lực, các li ên kết được phân chia th ành liên kết đơn giản, hay liên k ết chịu lực đúng tâm, v à liên kết chịu lực lệch tâm . Trong chương này, liên k ết đơn giản được trình bày trong các m ục 2.1-2.7, liên k ết chịu lực lệch tâm đ ược đề cập trong m ục 2.8. Hình 2.1 http://www.ebook.edu.vn 25
  8. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD 2.1 Cấu tạo liên kết bu lông Bu lông đư ợc phân biệt giữa bu lông th ường và bu lông cư ờng độ cao 2.1.1 Bu lông thư ờng Bu lông thư ờng được làm bằng thép ít các -bon ASTM A307 có cư ờng độ chịu kéo 420 MPa. Bu lông A307 có th ể có đầu dạng h ình vuông, l ục giá c hoặc đầu chìm. Bu lông thép thường không đ ược phép sử dụng cho các li ên kết chịu mỏi. Đai ốc Đai ốc Thân đinh Đ ầu Ren Đầu Chiều dài ½ đường kính Chiều dài Hình 2.2. Bu lông thép ít các bon A307 c ấp A. Đầu bu lông do nh à sản xuất quy định a. Đầu và đai ốc hình lục lăng ; b. Đầu v à đai ốc hình vuông ; c. Đầu ch ìm 2.1.2 Bu lông cư ờng độ cao Bu lông cư ờng độ cao phải có c ường độ chịu kéo nhỏ nhất 830 MPa cho các đ ường kính d = 16 27 mm và 725 MPa cho các đư ờng kính d = 30 36 mm. Bu lông cư ờng độ cao có thể dùng trong các liên k ết chịu ma sát hoặc li ên kết chịu ép mặt. Li ên kết chịu ép mặt chịu được tải trọng lớn h ơn nhưng gây bi ến dạng lớn khi chịu ứng suất đổi dấu n ên chỉ được dùng trong nh ững điều kiện cho phép. Trong cầu, mối nối bu lông chịu ép mặt không đư ợc dùng cho các liên k ết chịu ứng suất đổi dấu. Liên kết bu lông c ường độ cao chịu ma sát th ường dùng trong k ết cấu cầu chịu tải trọng thường xuyên gây ứng suất đổi dấu hoặc khi cần tránh biến dạng tr ượt của mối nối. http://www.ebook.edu.vn 26
  9. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Liên kết bu lông c ường độ cao chịu ép mặt chỉ đ ược dùng hạn chế cho các bộ phận chịu ứng suất một dấu v à cho các bộ phận thứ yếu. Trong xây d ựng cầu, cả li ên kết bu lông c ường độ cao v à liên kết hàn đều có thể đ ược sử dụng cho các mối nối ngo ài công trư ờng song li ên kết bu lông c ường độ cao đ ược dùng là chủ yếu. Li ên kết hàn chỉ được sử dụng trong các li ên kết thứ yếu, không chịu hoạt tải, dùng để liên kết các tấm mặt cầu hoặc các bộ phận không chịu lực chính. Trong th ực tế, th ường sử dụng hai loại bu lông c ường độ cao A325 v à A490 với đầu mũ và đai ốc theo ti êu chuẩn ASTM nh ư trên hình 2.2. Hình 2.3 Bu lông cường độ cao Bu lông CĐC A325 có th ể bằng thép chống rỉ. Các kích cỡ bu lông v à đường ren răng có thể tham khảo bảng 2.1 Bảng 2.1 Chiều dài đư ờng ren của bu lông CĐC Đường kính bu lông Chiều dài ren Chiều dài tổng Độ lệch ren (mm) (mm) danh đinh (mm) cộng ren (mm) 12.7 25.4 4.8 30.2 15.9 31.8 5.6 37.3 19.0 35.0 6.4 41.1 22.2 38.1 7.1 45.2 25.4 44.5 7.9 52.3 28.6 50.8 8.6 59.4 31.8 50.8 9.7 60.5 35.0 57.2 11.2 69.3 38.1 57.2 11.2 68.3 http://www.ebook.edu.vn 27
  10. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Trong các liên k ết bằng bu lông c ường độ cao chịu ma sát, cá c bản nối được ép vào nhau nh ờ lực xiết bu lông. Lực xiết bu lông cần đủ lớn để khi chịu cắt, ma sát giữa các bản thép đủ khả năng chống lại sự tr ượt. Liên kết chịu ma sát y êu cầu bề mặt tiếp xúc của các bản nối phải đ ược làm sạch khỏi s ơn, dầu mỡ và các c hất bẩn. Cũng có thể d ùng liên kết trong đó bu lông bị ép mặt, sự dịch chuyển của các bản nối đ ược ngăn cản bởi thân bu lông. Các kích thư ớc lỗ bu lông không đ ược vượt quá các trị số trong bảng 2.1. Bảng 2.2 Kích thư ớc lỗ bu lông lớn nhất Đường kính Lỗ chuẩn Lỗ quá cỡ Lỗ ô van ngắn Lỗ ô van dài bu lông d (mm) Đường kính Đường kính Rộng x Dài Rộng x Dài 16 18 20 18 22 18 40 20 22 24 22 26 22 50 22 24 28 24 30 24 55 24 26 30 26 33 26 60 27 30 35 30 37 30 67 30 33 38 33 40 33 75 36 39 44 39 46 39 90 Lỗ quá cỡ có thể d ùng trong m ọi lớp của li ên kết bu lông c ường độ cao chịu ma sát. Không dùng l ỗ quá cỡ trong li ên kết kiểu ép mặt. Lỗ ô van ngắn có thể d ùng trong m ọi lớp của li ên kết chịu ma sát hoặc ép mặt. Trong liên kết chịu ma sát, cạnh d ài lỗ ô van đ ược dùng không c ần chú ý đến ph ương tác d ụng của tải trọng, nh ưng trong liên k ết chịu ép mặt, cạnh d ài lỗ ô van cần vuông góc với phương tác d ụng của tải trọng. Lỗ ô van d ài chỉ được dùng trong m ột lớp của cả li ên kết chịu ma sát và liên k ết chịu ép mặt. Lỗ ô van d ài có thể được dùng trong liên k ết chịu ma sát không cần chú ý đến phương tác d ụng của tải trọng, nh ưng trong liên k ết chịu ép mặt, cạnh d ài lỗ ô van cần vuông góc v ới phương tác d ụng của tải trọng. Trong xây d ựng cầu, đường kính bu lông nhỏ nhất cho phép l à 16 mm, tuy nhiên không đư ợc dùng bu lông đư ờng kính 16 mm trong kết cấu chịu lực chính. 2.1.3 Khoảng cách bu lông v à khoảng cách tới mép Việc quy định khoảng cách nhỏ nhất, khoảng cách lớn nhất giữa các bu lông cũn g như t ừ bu lông t ới mép cấu kiện nhằm những mục đích khác nhau. Khoảng cách nhỏ nhất giữa các bu lông đ ược quy định nhằm đảm bảo khoảng cách trống giữa các đai ốc v à không gian c ần thiết cho thi công (xiết bu lông). Khoảng cách http://www.ebook.edu.vn 28
  11. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD nhỏ nhất từ bu lông tới mép cấu kiện đ ược quy định nhằm mục đích chống xé rách thép cơ bản. Khoảng cách lớn nhất giữa các bu lông cũng nh ư từ bu lông tới mép cấu kiện đ ược quy định nhằm đảm bảo mối nối chặt chẽ, chống ẩm v à chống lọt bụi cũng nh ư chống cong vênh cho thép cơ b ản. Các yêu cầu cơ bản về khoảng cách bu lông v à khoảng cách tới mép theo Ti êu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05 được tóm tắt nh ư sau: Khoảng cách từ tim tới tim của các bu lông (theo mọi ph ương) không đư ợc nhỏ h ơn 3d, với d là đường kính của bu lông. Khoảng cách nhỏ nhất từ tim lỗ tới mép cấu kiện (theo mọi ph ương), là hàm c ủa kích thước bu lông v à dạng gia công mép, đ ược cho trong bảng 2.2. Khoảng cách từ tim lỗ tới mép thanh (theo m ọi phương), nói chung, không đư ợc lớn h ơn 8 lần chiều d ày của thanh nối mỏng nhất và không đư ợc lớn h ơn 125 mm. Khoảng cách giữa các bu lông v à khoảng cách từ bu lông tới mép, ký hiệu t ương ứng là s và Le, được minh hoạ trên hình 2.8. Các điều khoản đầy đủ v à chi tiết về khoảng cách bu lông v à khoảng cách tới mép có thể được tham khảo trong Tài li ệu [2], mục 6.13.2.6. Bảng 2.3 Khoảng cách đến mép thanh tối thiểu (mm) Đường kính bu lông (mm) Các mép c ắt Các mép t ấm, bản hay thép h ình được cán hoặc các mép đ ược cắt bằng khí đốt 16 28 22 20 34 26 22 38 28 24 42 30 27 48 34 30 52 38 36 64 46 2.2 Liên kết bu lông chịu cắt: các tr ường hợp phá hoại Trước khi xem xét c ường độ các cấp đặc tr ưng của bu lông, chúng ta cần nghi ên cứu các trường hợp phá hoại khác nhau có thể xảy ra trong li ên kết bằng bu lông chịu cắt. Có hai dạng phá hoại chủ yế u: phá ho ại của bu lông v à phá ho ại của bộ phận đ ược liên kết. Xét mối nối đ ược biểu diễn trong h ình 2.3a. S ự phá hoại của bu lông có thể đ ược giả thiết xảy ra như trong h ình vẽ. Ứng suất cắt trung b ình trong tr ường hợp n ày sẽ là http://www.ebook.edu.vn 29
  12. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD trong đó, P là lực tác dụng l ên một bu lông, A là diện tích mặt cắt ngang của bu lông v à d là đường kính của nó. Lực tác dụng có thể đ ược viết là Mặc dù lực tác dụng trong tr ường hợp n ày không hoàn toàn đúng tâm nhưng đ ộ lệch tâm là nh ỏ và có thể được bỏ qua. Li ên kết trong h ình 2.4b là t ương tự nhưng sự phân tích cân bằng lực ở các phần của thân bu lông cho thấy rằng, mỗi diện tích mặt cắt ngang chịu một nửa của tải trọng to àn phần, hay, ho àn toàn tương đương, có hai m ặt cắt n gang tham gia chịu tải trọng to àn phần. Trong tr ường hợp n ày, tải trọng l à và đây là trư ờng hợp cắt kép (cắt hai mặt). Li ên kết bu lông trong h ình 2.3a ch ỉ với một mặt chịu cắt đ ược gọi là liên kết chịu cắt đ ơn (cắt một mặt). Sự tăng hơn n ữa bề dày vật liệu tại li ên kết có thể làm tăng s ố mặt phẳng cắt v à làm gi ảm hơn nữa lực tác dụng tr ên mỗi mặt cắt. Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng chi ều dài của bu lông v à khiến cho nó có thể phải chịu uốn. Hình 2.3 Các trư ờng hợp phá hoại cắ t bu lông Các tình hu ống phá hoại khác trong li ên kết chịu cắt bao gồm sự phá hoại của các bộ phận được liên kết và được chia th ành hai trư ờng hợp chính. 1. Sự phá hoại do kéo, cắt hoặc uốn lớn trong các bộ phận đ ược liên kết. Nếu một cấu kiện chịu kéo đ ược liên kết, lực kéo tr ên cả mặt cắt ngang nguy ên và m ặt cắt ngang h ữu hiệu đều phải đ ược kiểm tra. Tuỳ theo cấu tạo của li ên kết và lực tác dụng, cũng có thể phải phân tích về cắt, kéo, uốn hay cắt khối. Việc thiết kế li ên kết của một cấu kiện chịu kéo th ường được tiến h ành song song v ới việc thiết kế chính cấu kiện đó v ì hai quá trình ph ụ thuộc lẫn nhau. 2. Sự phá hoại của bộ phận đ ược liên kết do sự ép mặt gây ra bởi thân bu lông. Nếu lỗ bu lông rộng h ơn một chút so với thân bu lông v à bu lông đư ợc giả thiết l à nằm lỏng lẻo trong lỗ th ì khi chịu tải, sự tiếp xúc giữa bu lông v à bộ phận đ ược liên kết sẽ xảy ra tr ên khoảng một nửa chu vi của bu lông (h ình 2.4). Ứng suất sẽ biến thiên từ giá trị lớn nhất tại A đến bằng không tại B; để đ ơn giản hoá, một ứng suất trung bình, được tính bằng lực tác dụng chia cho diện tích tiếp xúc, đ ược sử dụng. http://www.ebook.edu.vn 30
  13. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Do vậy, ứng suất ép mặt sẽ đ ược tính l à với P là lực tác dụng l ên bu lông, d là đư ờng kính bu lông v à t là bề dày của bộ phận bị ép mặt. Lực ép mặt , từ đó, là . Hình 2.4 Sự ép mặt của bu lông l ên thép cơ b ản Hình 2.5 Ép mặt ở bu lông gần đầu cấu kiện hoặc gần một bu lông khác Vấn đề ép mặt có thể phức tạp h ơn khi có m ặt một bu lông gần đó hoặc khi ở gần mép đầu cấu kiệ n theo phương ch ịu lực nh ư được miêu tả trên hình 2.5. Kho ảng cách giữa các bu lông và t ừ bu lông tới mép sẽ có ảnh h ưởng đến c ường độ chịu ép mặt. 2.3 Cường độ chịu ép mặt Cường độ chịu ép mặt không phụ thuộc v ào loại bu lông v ì ứng suất đ ược xem xét l à trên bộ phận đ ược liên kết chứ không phải tr ên bu lông. Do v ậy, cường độ chịu ép mặt cũng như các yêu c ầu về khoảng cách bu lông v à khoảng cách tới mép đầu cấu kiện, l à những đại lượng không phụ thuộc v ào loại bu lông, sẽ đ ược xem xét tr ước khi bàn về cường độ chịu cắt và chịu kéo của bu lông. http://www.ebook.edu.vn 31
  14. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Các quy đ ịnh của Ti êu chuẩn AISC về c ường độ chịu ép mặt cũng nh ư tất cả các y êu cầu đối với bu lông c ường độ cao có c ơ sở là các quy đ ịnh của ti êu chuẩn RCSC, 2000 (Hội đồng nghi ên cứu về liên kết trong kết cấu). Phần tr ình bày sau đây gi ải thích c ơ sở của các công thức cho c ường độ chịu ép mặt trong Ti êu chuẩn AISC cũng nh ư AASHTO LRFD. Một trường hợp phá hoại có thể xảy ra do ép mặt lớn l à sự xé rách tại đầu một cấu kiện được liên kết như được minh hoạ tr ên hình 2.6a. N ếu bề mặt phá hoại đ ược lý tưởng hoá như bi ểu diễn trên hình 2.6b thì t ải trọng phá hoại tr ên một trong hai mặt sẽ bằng ứng suất phá hoại cắt nhân với diện tích chịu cắt, hay Trong đó 0,6Fu ứng suất phá hoại cắt của cấu kiện đ ược liên kết Lc khoảng cách từ mép lỗ tới mép cấu kiện đ ược liên kết t chiều dày của cấu kiện đ ược liên kết Cường độ tổng cộng l à (2.1) Hình 2.6 Sự xé rách tại đầu cấu kiện Sự xé rách n ày có th ể xảy ra tại mép củ a một cấu kiện đ ược liên kết, như trong h ình vẽ, hoặc giữa hai lỗ theo ph ương ch ịu lực ép mặt. Để ngăn ngừa biến dạng quá lớn của lỗ, một giới hạn tr ên được đặt ra đối với lực ép mặt đ ược cho bởi công thức 2.1. Giới hạn tr ên này là t ỷ lệ thuận với tích số của diện tích chịu ép mặt v à ứng suất phá hoại, hay (2.2) Trong đó C hằng số D đường kính bu lông T chiều dày cấu kiện đ ược liên kết http://www.ebook.edu.vn 32
  15. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Tiêu chu ẩn AISC sử dụng công thức 2.1 cho c ường độ chịu ép mặt với giới hạn tr ên được cho bởi công thức 2.2. Nếu có biến dạng lớn, m à điều này thường xảy ra, th ì C được lấy bằng 2,4. Giá trị n ày tương ứng với độ gi ãn dài của lỗ bằng khoảng ¼ inch. Như v ậy Theo Tiêu chu ẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 -05 (cũng nh ư AASHTO LRFD), cư ờng độ chịu ép mặt của li ên kết bu lông, về bản chất, đ ược xác định tr ên cơ sở phân tích tr ên. Tuy nhiên, quy đ ịnh về các tr ường hợp của sức kháng ép mặt danh định thể hiện khác biệt về hình thức, cụ thể nh ư sau: Đối với các lỗ chuẩn, lỗ quá cỡ, lỗ ô van ngắn chịu tác dụng lực theo mọi ph ương và lỗ ô van d ài song song v ới phương lực tác dụng: Khi kho ảng cách tĩnh giữa các lỗ bu lông không nhỏ h ơn 2d và khoảng cách tĩnh đến đầu thanh không nhỏ h ơn 2 d: Rn = 2,4.d.t.Fu (2.3) Khi khoảng cách tĩnh giữa các lỗ bu lông nhỏ h ơn 2 d hoặc khoảng cách tĩnh đến đầu thanh nhỏ h ơn 2 d: Rn = 1,2.Lc.t.Fu (2.4) Đối với các lỗ ô van d ài vuông góc v ới phương lực tác dụng: Khi kho ảng cách tĩnh giữa các lỗ bu lông không nhỏ h ơn 2 d và khoảng cách tĩnh đến đầu thanh không nhỏ h ơn 2 d: Rn = 2,0.d.t.Fu (2.5) Khi kho ảng cách tĩnh giữa các lỗ bu lông nhỏ h ơn 2 d hoặc khoảng cách tĩnh đến đầu thanh nhỏ h ơn 2d: Rn = Lc.t.Fu (2.6) trong đó, Lc khoảng cách trống, theo phương song song v ới lực tác dụng, từ mép của lỗ bu lông tới mép của lỗ gần kề hoặc tới mép của cấu kiện t chiều dày cấu kiện đ ược liên kết d đường kính bu lông Fu ứng suất kéo giới hạn của cấu kiện đ ược liên kết (không phải của bu lông) Trong tài li ệu này, biến dạng đ ược xem xét l à trên góc đ ộ thiết kế. C ường độ chịu ép mặt tính toán c ủa một bu lông đ ơn, do vậy, có thể đ ược tính bằng , với là hệ số sức kháng đ ối với ép mặt của bu lông l ên thép cơ b ản theo AISC theo AASHTO LRFD (1998) trong đó, http://www.ebook.edu.vn 33
  16. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Lc khoảng cách trống, theo ph ương song song v ới lực tác dụng, từ mép của lỗ bu lông tới mép của lỗ gần kề hoặc tới mép của cấu kiện t chiều dày cấu kiện được liên kết Fu ứng suất kéo giới hạn của cấu kiện đ ược liên kết (không phải của bu lông) Hình 2.7 Hình 2.7 miêu t ả khoảng cách Lc. Khi tính toán cư ờng độ ép mặt cho một bu lông, sử dụng khoảng cách từ bu lông n ày đến bu lông liền kề hoặc đến mép the o phương l ực tác dụng vào cấu kiện li ên kết. Đối với tr ường hợp trong h ình vẽ, lực ép mặt sẽ tác dụng tr ên phần bên trái c ủa mỗi lỗ. Do vậy, c ường độ cho bu lông 1 đ ược tính với Lc bằng khoảng cách giữa hai mép lỗ v à cường độ cho bu lông 2 đ ược tính với Lc bằng khoảng cách tới mép cấu kiện đ ược liên kết. Cho các bu lông g ần mép, d ùng . Cho các bu lông khác, dùng , trong đó Le khoảng cách từ tâm lỗ tới mép s khoảng cách tim đến tim của lỗ h đường kính lỗ Khi tính kho ảng cách Lc, cần sử dụng đ ường kính lỗ thực tế (tức l à rộng hơn 1/16 inch so với đường kính thân bu lông, theo AISC) hay đơn gi ản Khoảng cách bu lông v à khoảng cách tới mép Yêu cầu về khoảng cách tối thiểu giữa các bu lông v à từ bu lông tới mép có li ên quan đến xé rách thép cơ b ản đã được trình bày trong m ục 2.1.3. Khoảng cách giữa các bu lông v à khoảng cách từ bu lông tới mép, ký hiệu t ương ứng là s và Le, được minh hoạ tr ên hình 2.8. http://www.ebook.edu.vn 34
  17. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD Hình 2.8 Định nghĩa các khoảng cách bu lông v à khoảng cách tới mép VÍ DỤ 2.1 Kiểm tra c ường độ chịu ép mặt, khoảng cách giữa các bu lông v à khoảng cách tới mép đối với liên kết được cho trong h ình 2.9. S ử dụng bu lông ASTM A307, đ ường kính 20 mm, thép kết cấu M270 cấp 250, mép cấu kiện dạng cán. Lực kéo có hệ số bằng 300 kN. Hình 2.9 Hình cho ví d ụ 2.1 Lời giải Thép kết cấu M270 cấp 250 có c ường độ chịu kéo Fu = 400 MPa Kiểm tra các khoảng cách Khoảng cách thực tế giữa các bu lông = 65 mm > 3d = 60 mm (k hoảng cách nhỏ nhất) Khoảng cách thực tế tới mép = 30 mm > 26 mm (khoảng cách nhỏ nhất, bảng 2.2) Đường kính lỗ bu lông để tính ép mặt h = d + 2 mm = 22 mm Kiểm tra ép mặt cả tr ên thanh kéo và trên b ản nút a) Cường độ chịu ép mặt của thanh kéo Lỗ gần mép http://www.ebook.edu.vn 35
  18. Bài gi ảng Kết cấu thép theo Tiêu chu ẩn 22 TCN 272-05 và AASHTO LRFD < 2d = 40 mm Cường độ chịu ép mặt danh định đ ược tính theo công thức 2.4 Lỗ khác > 2d = 40 mm Cường độ chịu ép mặt danh định đ ược tính theo cô ng thức 2.3 Cường độ chịu ép mặt đối với cấu kiện chịu kéo l à b) Cường độ chịu ép mặt của bản nút Lỗ gần mép < 2d = 40 mm Cường độ chịu ép mặt danh định đ ược tính theo côn g thức 2.4 Lỗ khác > 2d = 40 mm Cường độ chịu ép mặt danh định đ ược tính theo công thức 2.3 Cường độ chịu ép mặt đối với bản nút l à Đáp số Cường độ chịu ép mặt của bản nút l à quyết định. → đảm bảo c ường độ Khoảng cách bu lông v à khoảng cách tới mép trong ví dụ 2.1 l à giống nhau đối với cấu kiện chịu kéo v à bản nút. Chỉ có chiều d ày của chúng l à khác nhau, do đó c ần kiểm tra bản nút. Trong những tr ường hợp thế n ày, chỉ cần kiểm tra cấu kiện mỏng h ơn. Nếu các khoảng cách tới mép l à khác nhau thì ph ải kiểm tra cả cấu kiện chịu kéo v à bản nút. http://www.ebook.edu.vn 36
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD


intNumView=398

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2