Bài giảng Kết cấu thép - Chương 3: Dầm thép

1KẾT CẤU THÉP Chương 0 Tổng quan về Kết Cấu Thép Chương 1 Vật Liệu và Sự Làm Việc của KC Thép Chương 2 Liên Kết Kết Cấu Thép Chương 3 Dầm Thép Chương 4 Cột Thép Chương 5 Dàn Thép2KẾT CẤU THÉPChương 3 - DẦM THÉPĐại cương về dầm và hệ dầmKích thước chính của dầmThiết kế dầm thép hìnhThiết kế dầm tổ hợpỔn định tổng thể dầm thépỔn định cục bộNối dầm và gối dầmNỘI DUNGDầm thépHệ dầm thépBản sàn thépI. ĐẠI CƯƠNG VỀ DẦM VÀ HỆ DẦMDầm  Chịu uốn chủ yếu (M và V)2 loại dầm thép: Dầm hình và Dầm tổ hợp1. Dầm thépDầm hình: Làm từ một thép hìnhTheo tiết diện: có đối xứng và không đối xứngTheo cách chế tạo: có cán nóng, dập nguội1. Dầm thépHệ dầm đơn giảnHệ dầm phổ thôngHệ dầm phức tạpHệ dầm đơn giản2. Hệ dầm thépHệ dầm phổ thôngHệ dầm phức tạp2. Hệ dầm thépLiên kết dầm:Liên kết chồngLiên kết bằng mặtLiên kết thấp2. Hệ dầm thépLiên kết giữa các dầma) LK chồng; b) LK bằng mặt; c) LK thấpCấu tạo bản sàn thép:Bản thép được gối trên một trong 3 kiểu dầm trênBản thép được hàn với cánh dầm bằng Đường Hàn GócTính Toán bản sàn thép:Xác định chiều dày t của bản thépNhịp bản sàn LTính toán các dầm đỡ sànTính tổng lượng thép dùng3. Bản sàn thépTính toán bản sàn thép:Có tải trọng qCó [f] = [/L] Chọn t Chọn L Tính liên kết3. Bản sàn thépLoại cấu kiệnĐộ võng cho phépDầm của sàn nhà và mái1. Dầm chính2. Dầm của trần có trát vữa, chỉ tính võng cho tải trọng tạm thời3. Các dầm khác, ngoài trường hợp 1 và 24. Tấm bản sànL/400L/350L/250L/150Dầm có đường ray:1. Dầm đỡ sàn công tác có đường ray nặng 35kg/m và lớn hơn2. Như trên, khi đường ray nặng 25kg/m và nhỏ hơnL/600L/400Xà gồ:1. Mái lợp ngói không đắp vữa, mái tấm tôn nhỏ2. Mái lợp ngói có đắp vữa, mái tôn múi và các mái khácL/150L/200Dầm hoặc dàn đỡ cấu trục:1. Cầu trục chế độ làm việc nhẹ, cầu trục tay, palăng2. Cầu trục chế độ làm việc vừa3. Cầu trục chế độ làm việc nặng và rất nặngL/400L/500L/600Sườn tường: Dầm đỡ tường xây2. Dầm đỡ tường nhẹ (tôn, fibrô ximăng), dầm đỡ của kính3. Cột tườngL/300L/200L/400Ghi chú: L - nhịp cấu kiện chịu uốn. Dầm công xôn: L lấy bằng 2 lần độ vươnĐộ võng cho phép của cấu kiện chịu uốnCác bước tính toán:Có tải trọng qCó [f] = [/L]Tra biểu đồ của Leites để có L/t Hoặc dùng công thức gần đúng của Teloian:13. Bản sàn thépCác bước tính toán:Từ tải trọng q, tra bảng để xác định t2Tải trọng tác dụng lên sàn q, kN/m2Chiều dày bản sàn thép t, mm≤ 10≤ 20≤ 30> 306 – 88 – 1010 – 1212 – 14 Quan hệ giữa tải trọng tác dụng trên sàn và chiều dày bản sàn thép3. Bản sàn thépCó L/tCó t Xác định L3Các bước tính toán:Xác định độ võng do tải trọng tiêu chuẩn gây ra:	45Xác định a (tỷ số giữa lực kéo H và lực tới hạn Ơle Ncr):3. Bản sàn thépCác bước tính toán:Kiểm tra độ võng ở giữa nhịp do cả qc và H gây ra:67Xác định H (lực kéo tác dụng tại gối tựa bản):	hoặc	gQ – hệ số độ tin cậy của tải trọng (hệ số vượt tải)3. Bản sàn thépCác bước tính toán:Mômen uốn lớn nhất ở giữa nhịp bản:89Kiểm tra bền:3. Bản sàn thépChiều cao đường hàn góc hf (chiều dài đơn vị) để đủ chịu lực kéo H:10Chiều dài dầmChiều cao dầmCác điều kiện cần kiểm traII. KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA DẦMThiên về an toàn, lấy l = LSàn thông thường, hay lấy l  18mNhịp bé  Dầm Thép HìnhNhịp lớn  Dầm Tổ Hợp1. Chiều dài dầmhmin  h  hmaxhmin: chiều cao đảm bảo cho dầm đủ cứng, nghĩa là độ võng của dầm không vượt quá độ võng giới hạn.hmax: chiều cao lớn nhất có thể của dầm.h càng gần hkt càng tốthkt: chiều cao tương ứng với 	lượng thép ít nhất2. Chiều cao dầm21hmin :hmax: quy định trong nhiệm vụ thiết kếhkt :Có xét đến sự thay đổi tỷ số hw/twDầm hàn: k = 1,15 ÷ 1,20Dầm BL, đinh tán: k = 1,20 ÷ 1,25: độ mảnh bản bụng dầmhw (m)1,01,52,03,04,05,0tw (mm)8-1010-1212-1416-1820-2222-24hw/tw100-125125-150145-165165-185185-200210-230Tỷ số chiều cao và chiều dày bản bụng thép2. Chiều cao dầmĐiều kiện bềnỔn định cục bộ bản bụng và bản cánhĐộ võngỔn định tổng thểĐiều kiện cấu tạo và khả thi khi thi công3. Các điều kiện cần kiểm traChọn tiết diện dầm hìnhKiểm tra tiết diện dầm theo cường độKiểm tra độ cứng (độ võng) của dầmKiểm tra ổn định tổng thể của dầm hìnhIII. THIẾT KẾ DẦM THÉP HÌNHTừ sơ đồ kết cấu dầm  M, QXác định mômen kháng uốn:c1 : kể đến biến dạng dẻo của thépc1 = 1: dầm làm việc đàn hồi1. Chọn tiết diện dầm hìnhTra bảng quy cách thép cán và chọn:Kiểm tra tiết diện dầm đã chọnKiểm tra bền về uốn:	 hayKiểm tra bền về cắt:1. Chọn tiết diện dầm hìnhNếu bản bụng bị giảm yếu (BL)  ứng suất tiếp  nhân thêm hệ số =a(a-d), a là khoảng cách tâm hai lỗ, d là đường kính lỗ đinhKiểm tra bản bụng dầm chịu ứng suất cục bộ2. Kiểm tra tiết diện dầm theo cường độDầm thép hình:tf : chiều dày bản cánh dầmr : bán kính cong chuyển tiếp từ bụng sang cánhF : tải trọng tập trung, phân bố trên chiều rộng blz : chiều dài phân bố quy đổi của tải trọng tập trung dọc theo 	mép trên của bản bụng, tại thớ trên của chiều cao tính 	toán bản bụng (hw), cánh thớ trên của dầm đoạn hyDầm chínhDầm phụKiểm tra tiết diện dầm chịu đồng thời ứng suất pháp, ứng suất tiếp, ứng suất cục bộ:2. Kiểm tra tiết diện dầm theo cường độ, , c: ứng suất tiếp, ứng suất pháp, ứng suất cục bộ ở cùng 1 điểm ứng thớ trên của chiều cao tính toán bụng dầmKiểm tra độ võng:3. Kiểm tra độ cứng (độ võng) dầm/l: độ võng tương đối của dầm (tải trọng tiêu chuẩn)Dầm đơn giản nhịp l, chịu tải trọng tiêu chuẩn phân bố đều qc[/l]: tỷ số giữa độ võng giới hạn và nhịp dầm (tiêu chuẩn thiết kế phụ thuộc cụ thể từng dầm, loại công trình)4. Kiểm tra ổn định tổng thể dầm hìnhVí dụCho một hệ sàn dầm như hình vẽ có:B = 6m; L=12m;Hoạt tải tiêu chuẩn qc=500 daN/m2, hệ số vượt tải 1,1. Thiết kế sàn thép và dầm phụ (dầm hình) biết độ võng cho phép của bản sàn là L/150 và của dầm phụ là L/350. Dùng cho công trình chịu tải trọng lớn (q>20kN/m) hoặc nhịp lớnGồm các bước:1. Chọn tiết diện2. Thay đổi tiết diện theo chiều dài3. Kiểm tra các tiết diện theo điều kiện bền, biến dạng, ổn định4. Cấu tạo và tính toán các chi tiếtIV. THIẾT KẾ DẦM TỔ HỢPChiều cao hmin  h  hmaxChiều dày bản bụng twbf, tf (dầm tổ hợp hàn); bd, td (dầm tổ hợp BL/đinh tán)1. Chọn tiết diện dầma) Xác định twtw  twminhw  h hoặc hw  h–(3040)mmVới h = 12m, dùng công thức kinh nghiệm:Điều kiện ổn định bản bụng 	(không dùng sườn gia cường)xxtwhw1. Chọn tiết diện dầmXem bản bụng chịu Vmaxb) Xác định kích thước cánh dầm 	Dầm hàn: bf, tfĐối với cánh dầm hàn: dựa trên điều kiện bền về uốnTa lại có:twhwtftfhfkbfxx1. Chọn tiết diện dầm	Chọn bản cánh:tf > tw  tiết diện làm việc hiệu quả, tf = 12  24mmtf  30mm  tránh ứng suất phụ khi hàn, cường độ tính toán tăng khi chiều dày giảmbf/tf  (E/f)  ổn định cục bộ bản cánh nénbf  30tf  ứng suất pháp phân bố đều trên cánh kéo, ổn định cục bộ cho cánh nénbf = h/2  h/5; bf  180mm; bf  h/10  ổn định tổng thể, dễ liên kết dầm với các cấu kiện khác1. Chọn tiết diện dầm	 Dầm bulông/đinh tánChọn trước thép góc cánh dầm (nên chọn đều cạnh)	bg = h/12  h/9; tg = tw; tg = (bg/11  bg/10)Xác định tiết diện bản phủI0g: Mômen quán tính của một thép góc	với trục trọng tâm của nóLấy hd=h-(1224)mmn1: số lượng bản phủ ở mỗi cánh dầmtwhwtdtdhdbdxx55agag1. Chọn tiết diện dầmChọn trước bd theo điều kiện: bd  2bg+twChọn td theo yêu cầu cấu tạo của phần đua ra của bản phủ:Khi dùng 1 bản phủ: a1  15tdKhi dùng 2 bản phủ: a1  8tdtf2bg+twxxbga11. Chọn tiết diện dầmKiểm tra độ bền:Kiểm tra theo đk bền chịu uốn ở nơi chỉ có M còn V=0:c1: hệ số kể đến sự phát triển biến dạng dẻo của thépWnx: mômen kháng uốn của tiết diện thực đối với trục x-xKiểm tra theo đk bền chịu cắt ở nơi chỉ có V, còn M=0:Sx: mômen tĩnh của phần tiết diện nguyên đối với trục x-x2. Kiểm tra tiết diện dầm tổ hợpKiểm tra các tiết diện chịu đồng thời M, V tại mép cánh và bụng dầm:h0: chiều cao tính toán của bản bụngSf: mômen tĩnh đ/v trục trung hoà:1 bản cánh dầm: dầm hàn2 thép góc cánh và bản đậy: dầm tổ hợp BL/đinh tánxxh0h0xx2. Kiểm tra tiết diện dầm tổ hợpKiểm tra ứng suất cục bộ của bụng dầm khi có lực tập trung:Kiểm tra tiết diện dầm chịu đồng thời ứng suất pháp, ứng suất tiếp, ứng suất cục bộ: Dầm tổ hợp hàn: lz = b + 2tf Dầm tổ hợp đinh tán hoặc BL: 	lz = b + 2hy với hy = tđ + bg 2. Kiểm tra tiết diện dầm tổ hợpKiểm tra độ cứng (độ võng): Nếu h  hmin  không cần kiểm traNếu h 0,85 : b = 0,68+0,211, nhưng không lớn hơn 1VI. ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ	Xác định 1:L0: chiều dài tính toán ngoài mặt phẳng dầmh: chiều cao tiết diện dầmIx, Iy: mômen quán tính đối với trục x-x, y-y: phụ thuộc (đk biên cánh nén, dạng tải trọng, ): hệ sốĐối với dầm thép hình I:	It: mômen xoắnVI. ỔN ĐỊNH TỔNG THỂĐối với dầm tổ hợp hàn I:tw: chiều dày bản bụngbf, tf: chiều rộng và chiều dày bản cánhhfk: khoảng cách trọng tâm giữa 2 cánha = 0,5hfkL0 của cánh chịu nén: khoảng cách giữa các điểm cố kết của cánh chịu nén không cho chuyển vị ngangVI. ỔN ĐỊNH TỔNG THỂKhông cần kiểm tra ổn định tổng thể của dầm khi:Cánh chịu nén của dầm được liên kết chặt với sàn cứngKhi tỷ số L0/bf không vượt quá tỷ số giới hạn [L0/bf] VI. ỔN ĐỊNH TỔNG THỂĐể tăng cường ổn định tổng thể:Tăng bf, giảm tf, giảm hfk. Khi đó sẽ phải chọn lại tiết diện dầmDùng hệ sàn cứng hoặc giằng ngang ở cánh nén:Dùng hệ giằng chống xoắn:Cánh nénVI. ỔN ĐỊNH TỔNG THỂHiện tượng và nguyên nhânỔn định cục bộ cánh chịu nénỔn định cục bộ bản bụng dầmVII. ỔN ĐỊNH CỤC BỘ1. Hiện tượng và nguyên nhânBản cánh nénBản bụng chịu cắt, chịu nén Có thể bị vênh oằn từng phần ra ngoài mặt phẳng của nóĐặc trưng hình học tiết diện thay đổiỨng suất tới hạn của bản mỏng theo lý thuyết đàn hồi:t, a - tiết diện bảnC, k - phụ thuộc loại, kích thước, dạng ứng suất tác dụng vào ô bản1. Hiện tượng và nguyên nhânDầm định hình: chiều dày bản bụng và cánh vượt quá yêu cầu ổn định cục bộ  không cần kiểm traBản cánh nén tựa khớp trên bụng dầm, cạnh đối diện tự do:Điều kiện:2. Ổn định cục bộ bản cánh chịu nén2. Ổn định cục bộ bản cánh chịu néni. Do ứng suất tiếpa) Khi không có sườn gia cường	Bản bụng dài vô hạn và ngàm đàn hồi với hai cánh dầm	Tải tĩnh:	Tải động:3. Ổn định cục bộ bản bụng dầmNếu dầm thoả	 không cần làm sườn ngang để gia cường bụng dầmNếu không thoả điều kiện trênGia cường bản bụng dầm bằng các sườn ngangThay đổi điều kiện tựa, loại ô bảnGiảm tỷ số cạnh dài/cạnh ngắn của ô bản nhằm tăng cr3. Ổn định cục bộ bản bụng dầm3. Ổn định cục bộ bản bụng dầmCấu tạo sườn ngangKhoảng cách 2 sườn:a  2hw khi w > 3,2a  2,5hw khi w  3,2Chiều rộng sườn:Chiều dày sườn:Chiều cao đường hàn liên kết sườn hf,min = 5mm3. Ổn định cục bộ bản bụng dầm	b) Khi có sườn gia cường: tỷ số cạnh dài / cạnh ngắn ô bản (a/hw hoặc hw/a) 	: độ mảnh quy ước của ô bảnd: cạnh ngắn hơn trong 2 cạnh của ô bản (a hoặc hw)	Nếu bố trí đôi sườn ngang có a = 2hw , =a/hw=23. Ổn định cục bộ bản bụng dầm	Với cr = fv:Dầm không chịu lực tập trung:Có lực tập trung đặt trên cánh nén dầmNếu bố trí sườn ngang theo cấu tạo quy định và  không kiểm tra ổn định cục bộ bản bụng3. Ổn định cục bộ bản bụng dầmii. Dưới tác dụng của ứng suất pháp:Ứng suất tới hạn:Ccrmin = 30, nếu cr = f  	 Khi hw/tw > [hw/tw v] 	 đặt cặp sườn dọc 	 kiểm tra từng ô bản bụng3. Ổn định cục bộ bản bụng dầmLiên kết cánh dầm với bản bụngNối dầmGối dầmVIII. NỐI DẦM & GỐI DẦMDầm tổ hợp hàn: bản cánh liên kết với bụng bằng các đường hàn gócKhi chịu lực, bản cánh có xu hướng trượt tương đối so với bản bụng 	Đường hàn sẽ chịu lực trượt đó1. Liên kết cánh dầm với bản bụngLực trượt T trên một đơn vị chiều dài dầm:V = VmaxIx – mômen quán tính của tiết diện với trục x-xSf – mômen tĩnh đ/v trục trung hòa của phần tiết diện bị trượt (tiết diện bản cánh dầm hàn)Lực trượt T do đường hàn góc chịu:1. Liên kết cánh dầm với bản bụngTrường hợp có lực tập trung F (không có sườn gia cường tại đó): Dầm tổ hợp hàn: 	Lz = b + 2tf Dầm TH đinh tán hoặc bu lông : 	Lz = b + 2hy với hy = tđ + bg 1. Liên kết cánh dầm với bản bụng	Cấu tạo và tính toán mối nối dầm:	2. Nối dầm	Phải nối dầm là do:Thép dùng làm dầm không đủ dài: mối nối nhà máyDầm có trọng lượng hoặc chiều dài vượt quá khả năng của các phương tiện vận chuyển, cẩu lắp (mối nối công trường)Nối hàn đối đầu:Khi hàn tay và dùng biện pháp thông thường kiểm tra: fwt=0,85f  nối dầm ở những tiết diện có M0,85Mmaxa) Dầm Ib) Dầm C2. Nối dầmNếu muốn nối dầm bằng phương pháp hàn ở vị trí M>0,85Mmax, dùng giải pháp sau:a) Đối đầu + Ghépb) Ghép2. Nối dầmDùng bulông:Dễ thi công2. Nối dầmDùng bulông:2. Nối dầma) Dầm tựa lên cột thép (các ví dụ liên kết khớp)3. Gối dầm3. Gối dầmChọn ts  twKiểm tra ĐK ép mặt tiết diện ở mút dưới sườn gối:F: phản lực gối tựafc: cường độ tính toán ép mặt tỳ đầu của thép3. Gối dầmKiểm tra sườn gối theo điều kiện bền về ổn định ngoài mặt phẳng bụng dầm: xem như thanh quy ước chịu nén đúng tâmLiên kết: hai đầu khớpLực nén: phản lực gối tựa dầm FChiều cao: hwTiết diện thanh: gồm tiết diện sườn gối và một phần bản bụng dầm c13. Gối dầmKiểm tra ổn định sườn gối:: hệ số uốn dọciz: bán kính quán tính của tiết diện quy ước đ/v trục z, trùng với trục dọc của bản bụng dầmA = As + Aw1: tiết diện thanh quy ướcAs: diện tích chịu nén của sườn đầu dầmAw1: phần diện tích bản bụng tham gia chịu lực với sườn đầu dầm: + Khi sườn bố trí ngay đầu dầm: Aw1=twc1	 + Khi sườn bố trí gần đầu dầm: Aw1=2twc13. Gối dầmb) Dầm tựa lên tường, cột bằng bêtông hoặc gạch đá3. Gối dầm