201 Ch­¬ng - kÕt cÊu thÐp Ch­¬ng KÕt cấu thép Biên soạn: PGS TS Vũ Thành Hải Hiệu đính: PGS TS Đỗ Văn Hứa 4.1 Cơ sở thiết kế kết cấu thép 4.1.1 Ph-ơng pháp tính kết cấu thép theo trạng thái giới hạn Kết cấu thép, loại kết cấu xây dựng khác (kết cấu gỗ, kết cấu bêtông cốt thép, ), tính toán theo phương pháp trạng thái giới hạn Trong kết cấu thép trạng thái giới hạn (TTGH) chia thành hai nhóm: - Nhóm TTGH thứ nhất: cường độ ổn định - Nhóm TTGH thứ hai: biến dạng chuyển vị Theo nhóm TTGH thứ nhất, điều kiện để kết cấu có đủ khả chịu lực cường độ ổn định biểu diễn dạng sau: c N = SN i g n c = Sn i N i g n c £ F = SR (4.1) đó: N - nội lực tính toán tổ hợp tải trọng tính toán bất lợi nhất; Ni - nội lực tính toán tải trọng tính toán Pi; N c - nội lực tải trọng tiêu chuẩn Pic (tải trọng lớn điều kiện sư dơng i b×nh th­êng); ni - hƯ sè lƯch tải, xét tới tải trọng thực tế khác tải trọng tiêu chuẩn cách bất lợi, tải trọng tính toán Pi tải trọng tiêu chuẩn nhân víi hƯ sè lƯch t¶i: Pi = ni Pic gn - hƯ sè an toµn vỊ sư dơng, xÐt tíi mức độ quan trọng công trình; c - hệ số tổ hợp, xét tới tải trọng lớn không xuất đồng thời; F - khả chịu lực kết cấu tích số đặc trưng h×nh häc S cđa tiÕt diƯn cÊu kiƯn víi c­êng độ tính toán R vật liệu hệ số ®iỊu kiƯn lµm viƯc g 202 sỉ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập Cường độ tính toán R vật liệu: R= Rc g vl cường độ tính toán R cường độ tiêu chuẩn Rc chia cho hệ số an toàn vật liệu gvl Cường độ tiêu chn Rc lÊy b»ng øng st ch¶y sc cđa thÐp tính theo giới hạn chảy Rc lấy øng st bỊn kÐo ®øt sb tÝnh theo giíi hạn bền, xem bảng 4-2 Theo nhóm TTGH thứ hai, điều kiện biến dạng chuyển vị để kết cấu sử dụng bình thường: Dc = SPic g n c d i £ [D] (4.2) ®ã: Dc - biến dạng chuyển vị kết cấu tác dụng tải trọng tiêu chuẩn tổ hợp bất lợi nhất; di - biến dạng hay chuyển vị tải trọng đơn vị sinh ra; [D] - biến dạng hay chuyển vị giới hạn gn, c - xem công thức (4.1) Các số liệu có liên quan đến thiết kế kết cấu thép xem Tiêu chuẩn thiÕt kÕ - KÕt cÊu thÐp TCVN 5575-91 hiƯn hµnh 4.1.2 Vật liệu thép dùng kết cấu Các loại thép dùng làm kết cấu phải lựa chọn thích hợp tuỳ theo mức độ quan trọng công trình, điều kiện làm việc, tính chất tải trọng phương pháp liên kết Thép dùng kết cấu chịu lực cần chọn loại thép lò Martin lò quay thổi ôxy, rót sôi nửa tĩnh, tĩnh, có mác tương đương với mác thép CCT34, CCT38, CCT42 theo Tiêu chuẩn TCVN 1765:1975 mác tương ứng với TCVN 5709:1993, mác thép hợp kim thấp theo TCVN 3104:1979 Thép phải đảm bảo phù hợp với tiêu chuẩn nêu tính học thành phần hoá học Thép dùng để chế tạo phần động kết cấu van dùng: - ThÐp cacbon: CCT38-5, CCT38n5, CCT38nMn5 - ThÐp hỵp kim thÊp: 09Mn2, 09Mn2Si, 10Mn2Si1, 14Mn2A, 10CrSiNi, C­êng ®é tÝnh toán vật liệu thép cán trạng thái ứng suất khác tính theo công thức cho bảng 4-1 203 Chương - kết cấu thép Bảng 4-1 Công thức xác định cường độ tính toán thép cán Trạng thái ứng suất Ký hiệu Cường độ tính toán - Kéo, nén uốn R R = sc/gvl - C¾t Rc Rc = 0,58.sc/gvl - ép mặt lên đầu mút tì sát Rem Rem = sb/gvl - Ðp mỈt ỉ trơc tiÕp xóc chỈt Rem.c Rem.t = 0,5sb/gvl - Ðp theo đường kính lăn Rcl Rcl = 0,025sb/gvl Chú thích: gvl - hƯ sè an toµn vỊ vËt liƯu, lÊy 1,05 cho mác thép Cường độ tiêu chuẩn cường độ tính toán số loại thép cacbon thông dụng cho bảng 4-2, thép hợp kim thấp cho bảng 4-3 Cường độ tính toán số loại thép dùng để chế tạo kết cấu chịu lực phần động cửa van công trình thủy lợi ứng với tổ hợp tải trọng đ xét tới điều kiện làm việc kÕt cÊu, cã thĨ tham kh¶o b¶ng 4-4 B¶ng 4-2 Cường độ tiêu chuẩn cường độ tính toán thép cacbon (TCVN 5709:1993) Cường độ tiêu chuẩn Rc cường độ tính toán R thép với độ dày d(mm), (MPa) M¸c thÐp d £ 20 20 < d £ 40 40 < d £ 100 sc CCT34 CCT38 CCT42 Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn sb không phụ thc chiỊu dµy d (mm) R sc R sc R 220 240 260 210 230 245 210 230 250 200 220 240 200 220 240 190 210 230 340 380 420 Chú thích: - Khi tính theo giới hạn chảy R c = sc; - Khi tÝnh theo giíi h¹n bÒn R c = sb; - MPa = N/mm2 = 10 daN/cm2 Bảng 4-3 Cường độ tiêu chuẩn cường độ tính toán thép hợp kim thấp Mác thép 09Mn2 14Mn2 16MnSi 09Mn2Si 10Mn2Si1 Cường độ tiêu chuẩn Rc cường độ tính toán R thép với độ dày d (mm), (MPa) d Ê 20 20< d £ 30 30 < d £ 60 sc sb R sc sb R sc sb R 310 340 320 330 360 450 460 490 480 510 295 325 305 315 345 300 330 300 310 350 450 460 480 470 500 285 315 285 295 335 290 290 340 470 460 480 275 275 325 Chó thÝch: - Khi tính theo giới hạn chảy R c = sc; - Khi tÝnh theo giíi h¹n bỊn R c = sb 204 sổ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập Bảng 4-4 Cường độ tính toán thép dùng làm kết cấu chịu lực phần động cửa van công trình thủy lợi (MPa) Thép số hiệu Trạng thái ứng suất BMCT3CP chiều dày thép cán định hình Ê 20 mm thép Ê 40 mm cưa van Ký hiƯu 10G2CD cưa van Nhãm ~ - KÐo, nÐn däc trôc - KÐo, nÐn uốn - Cắt - ép mặt lên đầu mút tì sát Nhóm 1~4 Nhóm 149,0 156,5 89,5 223,0 R Ru Rc Rem Nhãm 168 176 101 251 214 225 129 322 241 258 145 362 4.1.3 VËt liƯu thÐp dïng liªn kÕt 4.1.3.1 VËt liƯu thép dùng liên kết hàn Kim loại que hàn phải có cường độ kéo đứt tức thời không nhỏ trị số tương ứng thép hàn, hàn tay que hàn lấy theo TCVN 3223:1994 Cường độ tính toán liên kết hàn dạng liên kết trạng thái ứng suất khác xác định theo công thức bảng 4-5 4-6 Cường độ tính toán liên kết hàn kết cấu phần động chịu lực cửa van công trình thủy lợi ứng với tổ hợp tải trọng đ xét tới điều kiện làm việc kết cấu cho bảng 4-7 Bảng 4-5 Công thức xác định cường độ tính toán mối hàn Dạng liên kết Ký hiệu Cường độ tính toán - Nén, kéo uốn kiểm tra chất lượng đường hàn phương pháp vật lý Hàn đối đầu Trạng thái ứng suất Rh Rh = R - Nén, kéo uốn kiểm tra chất lượng đường hàn phương pháp thông thường Rh Rh = 0,85R h Rc h R c = Rc h Rg h h R g = 0,55 sb /gh b Rg b R g = 0,45sb - Cắt Theo kim loại mối hàn Hàn góc - Cắt (quy ước) Theo kim loại biên nóng chảy Chú thích: R cường độ tính toán thép hàn sb, s h cường độ kéo đứt tiêu chuẩn thép hàn kim loại hàn b HƯ sè ®é tin cËy vỊ c­êng ®é cđa mèi hµn gh = 1,25 s h < 490 MPa b vµ gh = 1,35 s h < 590 MPa b 205 Ch­¬ng - kÕt cÊu thÐp h Bảng 4-6 Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn sh cường độ tính toán Rg b kim loại hàn mối hàn góc (MPa) Loại que hàn theo TCVN 3223:1994 Cường độ kéo đứt tiêu chuẩn Cường độ tÝnh to¸n s (MPa) h R g (MPa) N42, N42-6B 410 180 N46, N46-6B 450 200 N50, N50-6B 490 215 h b Bảng 4-7 Cường độ tính toán liên kết hàn kết cấu chịu lực phần động cửa van công trình thủy lợi (MPa) Thép số hiệu Loại đường hàn Trạng thái ứng suất Ký hiệu BMCT3CP chiều dày thép cán định hình Ê 20 mm thép Ê 40 mm c¸c cưa van 10G2CD cưa van Nhãm 1~4 Nhãm Nhãm 1~4 Nhãm KÐo Rh k 149 168 214 241 NÐn Rh n 156,5 168 214 241 Uèn Rh u 89,5 176 225 254 C¾t h Rc 223 101 129 145 104,5 117,5 150 168,5 75,5 84,5 114,5 129 Đối đầu Kéo, nén, uốn, cắt kiểm tra chất lượng bằng: Hàn góc - Phương pháp tiên tiến - Phương pháp thông thường h Rg 4.1.3.2 Vật liệu thép dùng liên kết bulông Vật liệu làm bulông phải phù hợp với yêu cầu TCVN 1916:1995 Cường độ tính toán liên kết bulông xác định theo công thức bảng 4-8, bảng 4-9 4-10 206 sổ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập Bảng 4-8 Công thức xác định cường độ tính toán liên kết bulông Cường độ tính toán liên kết bulông Trạng thái Ký ứng suất hiệu Cắt kéo bulông với cấp độ bỊn 4.6, 5.6, 6.6 4.8, 5.8 8.8, 10.9 Ðp mỈt cđa cÊu kiƯn b»ng thÐp cã sc < 440 MPa C¾t b Rc b R c = 0,38s b b b R c = 0,4s b b b R c = 0,4s b b - KÐo Rb k R b = 0,42sb k b Rb = 0,4sb k b b Rb = 0,5sb k - a Bulông có độ xác cao sb )s b E b Bulông có độ xác bình thường bulông thô ép mặt b R em = (0,5 + 340 b R em = ( 0,5 + 280 sb )s b E b R em Bảng 4-9 Cường độ tính toán bulông chịu kéo chịu cắt Trạng thái ứng suất Ký hiệu Cắt Kéo Cường độ tính toán loại bulông (MPa) víi cÊp ®é bỊn 4.6 4.8 5.6 5.8 6.6 8.8 b Rc 150 160 190 200 230 320 Rb k 175 169 210 200 250 400 Chó thÝch: Gi¸ trị bảng tính theo công thức bảng 4- làm tròn đến MPa Bảng 4-10 Cường độ tính toán ép mặt bulông Giới hạn bền kéo đứt thép cấu kiện liên kết sb (MPa) Cường độ tính toán ép mặt cấu kiện b liên kết bulông R em (MPa) Bulông tinh Bulông thường thô 345 365 335 355 385 350 365 400 365 370 410 370 380 430 385 390 445 400 400 465 415 207 Ch­¬ng - kÕt cÊu thÐp 4.2 TÝnh to¸n c¸c cÊu kiƯn kÕt cÊu thÐp 4.2.1 CÊu kiƯn chÞu n - KiĨm tra độ bền cấu kiện chịu uốn mặt phẳng tiến hành theo công thức sau: s= M £R Wth t= QS £ Rc Jd b (4.3) đó: M, Q - mômen uốn tính toán lực cắt tính toán; Wth - môđun chèng n nhá nhÊt cđa tiÕt diƯn ®èi víi trơc trung hòa; S - mômen tĩnh phần trượt tiết diện nguyên trục trung hòa; J - mômen quán tính tiết diện nguyên trục trung hòa; db - chiều dày bụng dầm R, Rc - cường độ tính toán chịu uốn chịu cắt thép, lấy theo bảng 4-2, 4-3, 4-4 phải nhân với hệ số điều kiện làm việc g, lấy theo bảng 4-11 Bảng 4-11 Hệ số điều kiện làm việc g Loại cấu kiện Hệ số g - Dầm bụng đặc chịu nén dàn sàn phòng lớn 0,9 - Cột nhà công cộng tháp nước 0,95 - Các bụng chịu nén tiết diện chữ T ghép hai thép góc dàn mái dàn đỡ sàn độ mảnh lớn 60 0,80 - Dầm bụng đặc tính toán ổn định tổng thể 0,95 - Thanh căng, kéo, treo, neo làm từ thép cán 0,90 - Các cấu kiện kết cấu mái sàn 0,95 - Các chịu nén lầm thép góc liên kết cánh 0,75 Chú thích: Các hệ số g < tính toán không xét lúc Kiểm tra độ bền mặt cắt có mômen lực cắt lớn theo ứng suất tương ®­¬ng: · 2 std = s1 + 3t1 £ 1,15R (4.4) víi: s1 = M1 y J vµ t1 = Q1S c Jd b (4.5) 208 sæ tay KTTL * Phần - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập đó: M1, Q1 - mômen uốn lực cắt tính toán tiết diện kiểm tra; J - mômen quán tính tiết diện trục trung hoà; Sc - mômen tĩnh cánh tiết diện trục trung hoà; y1 - khoảng cách từ trục trung hòa đến chỗ tiếp giáp bụng cánh dầm Kiểm tra độ bền bụng dầm mặt cắt có đặt lực tập trung cục theo công thức sau đây: à 2 s td = s1 + s cb - s cb s1 + 3t1 £ 1,15R (4.6) ®ã: s1, t1 - xác định theo công thức (4.5) mặt cắt đặt lực tập trung; scb - ứng suất cục tải trọng tập trung P đặt cánh dầm bụng dầm sườn gia cường, tính theo công thøc: s cb = P db Z (4.7) víi Z chiều dài quy ước chịu tải bụng dầm: Z = b + 2d1 đó: b - bề rộng chuyền tải tập trung P lên cánh dầm; d1 - khoảng cách từ mặt cánh dầm đến chỗ tiếp giáp bụng cánh dầm (hình 4-1) Hình 4-1 Sơ đồ xác định chiều dài chịu tải bụng dầm - Kiểm tra độ võng cấu kiện chịu uốn tải trọng tiêu chuẩn sinh không vượt giá trị độ giíi h¹n [f]: fc =b Mc max L2 £ [f ] EJ x (4.8) 209 Ch­¬ng - kÕt cÊu thÐp ®ã: b - hƯ sè phơ thc vào tải trọng liên kết hai đầu dầm, với dầm đơn chịu tải trọng phân bố b = 5/48, với dầm đơn chịu tải tập trung nhịp b = 1/12; M c - mômen uốn lớn tải trọng tiêu chuẩn sinh ra; max [f] - độ võng giới hạn cấu kiện chịu uốn cho bảng 4-12 Bảng 4-12 Độ võng giới hạn [f] cấu kiện chịu uốn Các cấu kiện kết cấu Độ võng giới hạn [f] Dầm chÝnh cưa van: - Cưa van ©u thun th­êng xuyên công tác dòng chảy - Cửa van đập công tác dòng chảy L/700 L/600 Dầm phụ cửa van L/250 Dầm đỡ cầu trục: - Cầu trục chế độ làm việc nhẹ, cầu trục dẫn động tay - Cầu trục chế độ làm việc vừa - Cầu trục chế độ làm việc nặng L/400 L/500 L/600 Dầm sàn nhà mái: - Dầm - Các dầm khác L/400 L/250 - Kiểm tra ổn định tổng thể dầm tiết diện chữ I, chịu uốn mặt phẳng bụng dầm theo c«ng thøc sau: s= M £R jd W (4.9) đó: M - mômen uốn lớn dầm; W - mômen chống uốn tiết diện nguyên dầm lấy thớ nén xa nhất; jd - hệ số giảm khả chịu lực dầm xét đến khả ổn định tổng thể Đối với dầm tiết diện chữ I có hai trục đối xứng, để xác định hệ số jd cần phải tính hƯ sè j1 theo c«ng thøc: Jy ỉ h E j1 = y ỗ ữ Jx ố Lo ø R (4.10) 210 sỉ tay KTTL * PhÇn - sở kỹ thuật thủy lợi * Tập đó: y - hệ số lấy theo bảng 4-13, phụ thuộc vào liên kết dầm gối tựa, vào dạng vị trí tải trọng tác dụng lên dầm tham số a Bảng 4-13 Hệ số y dầm chữ I có hai trục đối xứng Số lượng cố kết cánh nén nhịp Dạng tải trọng tác dụng Vị trí đặt tải Tập trung Công thức tính y trị số a 0,1 < a Ê 40 40 5 5< m£20 0,1£ m£5 (1,75-0,1m)-0,02(5-m) l 1,2 1,25 (1,9-0,1m)-0,02(6-m) l 1,4-0,02 l 1,2 1,25 1,3 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 5 lc 0,7 0,65+0,05mx jc / jy ỉ jc ỉ J ữ ỗ - 1ữ - ỗ1 ỗ jy ÷ è J1 ø è ø jc jy Hë Hë - 0, J2 J1 - (0,35 - 0, 05m x ) J2 J1 KÝn 0,6 0,55+0,05mx Ghi chú: J1, J2 - mômen quán tính cánh lớn cánh nhỏ trục y-y tiết diện jc - giá trị jy ly = lc = 3,14 E / R §èi víi cét rỗng kín chiều dài có hai vách cứng giá trị a b lấy theo tiết diện kín,, ngược lại lấy theo tiết diện hở Bảng 4-33 Độ mảnh giới hạn [lb] bụng cột chịu nén lệch tâm Độ lệch tâm tương đối m Ê 0,3 m1 Giá trị giới hạn [lb] cđa b¶n bơng l £ 0,8 l > 0,8 [l b ] = E / R [lb] = (0,36+0,8 l ) E / R £ 2,9 E / R [l b ] = 1,3 E / R [lb] = (0,9+0,5 l ) E / R £ 3,1 E / R Chú thích: Khi 0,3