Đồ án TKMH - KCBTCT Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG Nguyễn Văn B 1 Cầu Anh_K46 Đồ án môn học Kết cấu bêtông cốt thép Giáo viên h-ớng dẫn : Nguyễn Văn A Sinh viên : Nguyễn Văn B Lớp : Cầu Anh - K46 Đề bài : Thiết kế một dầm cho cầu đ-ờng ôtô nhịp giản đơn, bằng BTCT, dạng mặt cắt chữ T hoặc mặt cắt hình hộp . I. Số liệu cho tr-ớc : Chiều dài nhịp tính toán : L = 9 m Tải trọng lớp phủ mặt cầu : w DW = 5,2 kN/m Trọng l-ợng bản thân dầm trên 1m dài : w DC Hoạt tải : HL - 93 Khoảng cách giữa các dầm( tim đến tim ) S = 2 m Các hệ số : - Hệ số phân bố ngang tính cho mômen : mg M = 0,58 - Hệ số phân bố ngang tính cho lực cắt : mg V = 0,59 Vật liệu : - Cốt thép có giới hạn chảy MPaf y 420 - Bê tông có c-ờng độ chịu nén ' 41 c f MPa Mặt cắt dầm : - Dạng chữ T Tiêu chuẩn thiết kế : Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 - 05. II. Yêu cầu về nội dung : A. Thuyết minh: 1. Xác định kích th-ớc hình học của mặt cắt ngang dầm; 2. Xây dựng biểu đồ bao mômen và biểu đồ bao lực cắt do tải trọng gây ra ở trạng thái giới hạn c-ờng độ( TTGHCĐ ); 3. Thiết kế chịu uốn và bố trí cốt thép dọc chủ tại mặt cắt giữa nhịp; 4. Triển khai cốt thép chịu uốn và vẽ biểu đồ bao vật liệu; 5. Thiết kế chịu cắt và bố trí cốt thép đai trên toàn chiều dài nhịp; 6. Thiết kế theo trạng thái giới hạn sử dụng( TTGHSD). B. Bản vẽ : Mặt chính của dầm và các mặt cắt đại diện; Vẽ biểu đồ bao mômen và biểu đồ bao vật liệu; Chi tiết cấu tạo cốt thép của dầm; Bảng thống kê vật liệu. Đồ án TKMH - KCBTCT Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG Nguyễn Văn B 2 Cầu Anh_K46 Bài làm I. Xác định sơ bộ kích th-ớc mặt cắt dầm : 1.1 Chiều cao dầm h Chiều cao dầm h đ-ợc chọn theo điều kiện chịu lực và điều kiện độ cứng, ngoài ra chiều cao dầm cũng cần thỏa mãn các yêu cầu tối thiểu đ-ợc quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế. Chiều cao dầm đ-ợc chọn không thay đổi trên suốt chiều dài của nhịp, chọn theo công thức kinh nghiệm : Lh 20 1 10 1 0,45 0,9hm Chiều cao nhỏ nhất theo quy định của quy trình : min 0,07 0,07 9 0,63 h L m Trên cơ sở đó sơ bộ chọn chiều cao dầm h = 720 mm 1.2 Bề rộng s-ờn dầm b w Đ-ợc chọn chủ yếu theo yêu cầu thi công sao cho dễ đổ bê tông và đảm bảo đ-ợc chất l-ợng bê tông. Với cầu đ-ờng ôtô, chiều rộng s-ờn dầm đ-ợc chọn trong khoảng 160 200( ) w b mm . Theo yêu cầu đó, ta chọn chiều rộng s-ờn b w = 200(mm) và không đổi trên suốt chiều dài dầm. 1.3 Chiều dày bản cánh h f Đ-ợc chọn trên cơ sở đảm bảo điều kiện chịu lực cục bộ tại vị trí đặt bánh xe và sự tham gia chịu lực tổng thể của bản với các bộ phận khác. Theo kinh nghiệm, đối với cầu ôtô, chiều dày bản cánh đ-ợc chọn trong khoảng 140 200( ) f h mm , theo 22TCN272-05 quy định 175( ) f h mm . Chọn h f = 180 (mm). 1.4 Chọn kích th-ớc bầu dầm b l , h l Đồ án TKMH - KCBTCT Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG Nguyễn Văn B 3 Cầu Anh_K46 Kích th-ớc bầu dầm đ-ợc chọn căn cứ vào việc bố trí cốt thép chủ trên mặt cốt dầm( số l-ợng thanh và khoảng cách các thanh). Tuy nhiên, khi chọn sơ bộ ban đầu, số l-ợng và khoảng cách cốt thép ch-a đ-ợc xác định, nên cần tham khảo các thiết kế điển hình. + Dầm đúc tại chỗ thì 140( ) l h mm 1 6 l h khoảng cách giữa các đ-ờng gờ hoặc s-ờn dầm + Dầm đúc sẵn thì 125( ) l h mm (mm) chọn 360( ) ; 200( ) ll b mm h mm 1.5 Bề rộng có hiệu của bản cánh b eff Theo 22TCN272- 05 quy định : Bề rộng có hiệu là trị số nhỏ của + 1/4 chiều dài nhịp có hiệu = 1/4 x L =1/4 x 9 = 2,25 (m) = 2250 (mm) + 12 lần chiều dày trung bình của bản cộng với giá trị lớn của bề rộng s-ờn dầm hoặc 1/2 lần bề rộng bản cánh trên của dầm 12 12 180 200 2360 fw h b mm + Khoảng cách trung bình các dầm kề nhau S = 2000 (mm) Vậy b eff = min( 2250; 2360; 2000) = 2000 (mm). 1.6 Tiết diện tính toán quy đổi ở đây, diện tích bầu dầm ( bao gồm cả phần vát) sẽ đ-ợc quy đổi thành diện tính HCN với mục đích đơn giản hoá việc tính toán. Diện tích tam giác tại chỗ vát bản cánh 2 1 1/2 100 100 5000S mm Chiều dày bản cánh quy đổi 1 2 /( ) 180 2.5000/(2000 200) 185,6( ) qd fwf h h S b b mm Diện tích tam giác tại chỗ vát bầu dầm 2 2 1/ 2 80 80 3200 S mm Chiều dày bầu dầm quy đổi 2 2 / ( ) 200 2.3200/ (360 200) 240( ) qd l l l w h h S b b mm Đồ án TKMH - KCBTCT Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG Nguyễn Văn B 4 Cầu Anh_K46 180 200 360 80 100 2000 200 200 2000 360 240 185,6 Tiết Diện Ban Đầu Tiết Diện Quy Đổi 80 100 720 720 II. Xác định và Vẽ biểu đồ bao nội lực 2.1 Xác định nội lực dầm chủ tại các mặt cắt đặc tr-ng Tĩnh tải Trọng l-ợng bản thân dầm : W DC Trọng l-ợng lớp phủ : W DW = 5,2 kN/m Diện tích mặt cắt dầm : . .( ) qd qd qd qd mc eff l l w f lf A h b b h b h h h 2 185,6 2000 360 240 200 720-185,6-240 516480 mc A mm Trọng l-ợng thể tích trung bình của bê tông là 24 kN/m 2 -6 W 24 516480 10 12,40( / ) DC mc bt A kN m Hoạt tải Tải trọng xe : Xe tải thiết kế và tải trọng làn thiết kế hoặc xe hai trục thiết kế và tải trọng làn thiết kế. Chú ý rằng, xe hai trục có trọng l-ợng trục nhỏ hơn xe tải thiết kế nh-ng cự ly các trục gần hơn nên là lực khống chế hiệu ứng lực phát sinh trong các cấu kiện ngắn. Khi thiết kế, chọn tổ hợp tải trọng lớn hơn. Tải trọng làn thiết kế là tải trọng 9,3 N/m phân bố đều theo chiều dọc, còn theo chiều ngang cầu đ-ợc giả thiết là phân bố đều trên chiều rộng 3000 mm. ý nghĩa của tải trọng làn thể hiện tác dụng của các xe khác trong đoàn xe có thể xuất hiện đồng thời trên cầu. Đồ án TKMH - KCBTCT Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG Nguyễn Văn B 5 Cầu Anh_K46 Lực xung kích IM : đ-ợc lấy bằng % của xe tải hoặc xe hai trục thiết kế. Lực xung kích không đ-ợc áp dụng cho tải trọng bộ hành hoặc tải trọng làn thiết kế. Với TTGH c-ờng độ và TTGH sử dụng lấy IM = 25% của xe tải hoặc xe hai trục thiết kế. 2.2 Tổ hợp nội lực theo các trạng thái giới hạn Hoạt tải HL - 93 và lực xung kích LL + IM Tĩnh tải bản thân dầm DC Tĩnh tải lớp phủ mặt cầu DW 2.3 Vẽ biểu đồ bao nội lực của dầm Khi tính toán thiết kế dầm cần xác định đ-ợc giá trị bất lợi nhất của mo men hoặc lức cắt do tải trọng tác dụng gây ra. Muốn vậy cần vẽ đ-ợc biểu đồ bao mômen và biểu đồ bao lực cắt của dầm, tức là biểu đồ thể hiện giá trị đại số lớn nhất của mômen và lực cắt của một số mặt cắt tiêu biểu trên chiều dài dầm. Trình tự vẽ biểu đồ bao mômen và lực cắt của một dầm giản đơn bao gồm các b-ớc sau: Chia dầm thành một số đoạn nhất định; Tính toán nội lực lớn nhất tại mặt cắt t-ơng ứng với các điểm chia, các giá trị nội lực này chính là tung độ của đ-ờng bao nội lực; Nối các tung độ trên lại với nhau ta đ-ợc đ-ờng bao nội lực cần vẽ. Tính toán mômen và lực cắt tại vị trí bất kỳ. Vẽ đ-ờng ảnh h-ởng mômen và lực cắt. + Chiều dài nhịp : L = 9m + Chia dầm thành 10 đoạn ứng với các mặt cắt từ 0 đến 10, mỗi đoạn dài 0,9m. Đồ án TKMH - KCBTCT Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG Nguyễn Văn B 6 Cầu Anh_K46 Đ-ờng ảnh h-ởng mômen tại các tiết diện : Đ-ờng ảnh h-ởng lực cắt tại các tiết diện: + + + + + + - - - - - Các công thức tính toán giá trị mômen, lực cắt tại mặt cắt thứ i theo trạng thái giới hạn c-ờng độ : i DC DW M L M M= 1,25w +1,5w + mg 1,75.LL . +1,75 LL . . 1+IM i M M i w w y DC DW V L 1 1,25w +1,5w + mg 1,75.LL . +1,75 LL . . 1+IM i i V V V i V w w y Các công thức tính toán giá trị mômen, lực cắt tại mặt cắt thứ i theo trạng thái giới hạn sử dụng : . . . 1 i i DC DW M M L M M i M w w w mg LL w LL y IM 1 . . . 1 i i DC DW V V L V V i V w w w mg LL w LL y IM Đồ án TKMH - KCBTCT Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG Nguyễn Văn B 7 Cầu Anh_K46 Trong đó : , DW DC ww : Tĩnh tải rải đều và trọng l-ợng bản thân của dầm (kN/m). M w : Diện tích đ-ờng ảnh h-ởng mômen tại mặt cắt thứ i. V w : Tổng đại số diện tích đ-ờng ảnh h-ởng lực cắt. 1V w : Diện tích phần lớn hơn trên đ-ờng ảnh h-ởng lực cắt. i M LL : Tải trọng bánh xe thứ i của xe tải thiết kế hoặc xe 2 trục thiết kế ứng với tung độ y i của đ-ờng ảnh h-ởng mô men. i V LL : Tải trọng bánh xe thứ i của xe tải thiết kế hoặc xe 2 trục thiết kế ứng với tung độ y i của đ-ờng ảnh h-ởng lực cắt (phần có diện tích lớn hơn). mkNLL L /3,9 : Tải trọng làn rải đều. , MV mg mg : Hệ số phân bố ngang tính cho mômen và lực cắt. (1+IM) : Hệ số xung kích. : Hệ số điều chỉnh tải trọng xác định bằng công thức 95,0 IRd (Với trạng thái giới hạn sử dụng : 1 ). Bảng giá trị diện tích ĐAH Các trị số để tính diện tích ĐAH Diện tích ĐAH Nội lực L (m) x (m) L - x (m) w w1 w2 w M0 9 0 9 0 M1 9 0.9 8.1 3.645 M2 9 1.8 7.2 6.48 M3 9 2.7 6.3 8.505 M4 9 3.6 5.4 9.72 M5 9 4.5 4.5 10.13 Đồ án TKMH - KCBTCT Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG Nguyễn Văn B 8 Cầu Anh_K46 Q0 9 0 9 4.5 0 4.5 Q1 9 0.9 8.1 3.645 -0.045 3.6 Q2 9 1.8 7.2 2.88 -0.18 2.7 Q3 9 2.7 6.3 2.205 -0.405 1.8 Q4 9 3.6 5.4 1.62 -0.72 0.9 Q5 9 4.5 4.5 1.125 -1.125 0 Bảng giá trị mô men và lực cắt do toàn bộ tải trọng gây ra Mặt cắt Nội lực TTGHCĐI TTGHSD Đơn vị 0 M0 0 0 KN.m 1 M1 338.258 208.912 KN.m 2 M2 583.769 361.354 KN.m 3 M3 755.753 468.309 KN.m 4 M4 854.148 529.742 KN.m 5 M5 875.781 543.839 KN.m 0 Q0 434.938 267.822 KN 1 Q1 366.321 224.755 KN 2 Q2 300.578 183.33 KN 3 Q3 242.94 146.537 KN 4 Q4 187.959 111.262 KN 5 Q5 133.842 76.481 KN Biểu đồ bao mô men ở trạng thái giới hạn c-ờng độ. Đồ án TKMH - KCBTCT Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG Nguyễn Văn B 9 Cầu Anh_K46 Mu (KN.m) Biểu Đồ Bao Mô Men 854,148 875,781755,753583,769338,258 0 854,148 755,753 583,769 338,258 0 Biểu đồ bao lực cắt ở trạng thái giới hạn c-ờng độ. Qu (KN) Biểu Đồ Bao Lực Cắt 133,842 187,959 242,940 300,578 366,321 434,938 133,842 187,959 242,940 300,578 366,321 434,938 III. Thiết kế chịu uốn và bố trí cốt thép dọc chủ tại mặt cắt giữa nhịp Mặc dù cấu kiện chịu uốn cũng đồng thời chịu cắt, xoắn, hoặc nén nh-ng theo kinh nghiệm thiết kế, các yêu cầu trong thiết kế kháng uốn sẽ khống chế việc chọn lựa kích th-ớc và hình dạng của mặt cắt cấu kiện, do đó việc thiết kế các cấu kiện th-ờng bắt đầu từ việc phân tích và thiết kế kháng uốn, sau đó kiểm tra lại các điều kiện c-ờng độ kháng cắt, kháng xoắn, độ võng cũng nh- chống nứt. Nh- đã biết, với dầm giản đơn, mômen tính lớn nhất xuất hiện tại mặt cắt giữa nhịp. h (mm) 720 b eff (mm) 2000 h f (mm) 185.6 b w (mm) 200 Đồ án TKMH - KCBTCT Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG Nguyễn Văn B 10 Cầu Anh_K46 b l (mm) 360 () qd l h mm 240 3.1 Tính toán bố trí cốt thép tại mặt cắt giữa nhịp 1. Giả sử chiều cao có hiệu của dầm : hd 9,08,0 Chọn 600d mm 2. Xác định vị trí trục trung hoà bằng cách so sánh sức kháng uốn của bê tông phần cánh dầm sinh ra. Giả sử a = h f Sức kháng uốn danh định: ' 0,85 . . ( - / 2) 6561,302 . nf c f f M f bh d h KN m Sức kháng uốn tính toán: 875,781 973,090( . ) 0,9 u n nf M M kN m M Suy ra trục trung hoà đi qua bản cánh, việc tính toán đ-ợc thực hiện nh- trong mặt cắt hình chữ nhật. 3. Xác định chiều cao khối ƯS nén a từ điều kiện: '2 2 11 0,85 n c M ad f b d Thay số vào ta đ-ợc : 6 2 2 973,090 10 600 1 1 0,85 41 2000 600 a 1 23,74 141,06 f a mm h mm . Hệ số chuyển đổi ứng suất, đ-ợc xác định nh- sau : ' 1 28 41 28 0,85 0,05 0,85 0,05 0,76 77 c f 4. Kiểm tra điều kiện dẻo của mặt cắt. [...]... mãn các yêu cầu về cấu tạo và chịu lực, cốt thép chịu kéo cần đ-ợc bố trí thoả mãn các yêu cầu về chiều dày lớp bê tông bảo vệ, khoảng cách giữa các thanh cốt thép Chiều dày lớp bê tông bảo vệ đóng vai trò chính trong bảo vệ cốt thép khỏi dự rỉ và neo côt thép chắc chắn vào bê tông Chiều dày lớp bê tông bảo vệ Cc, đ-ợc định nghĩa là khoảng cách giữa mặt ngoài của bê tông và mép ngoài của cốt thép Chọn... năng của bê tông bị nứt chéo truyền lực kéo : Góc nghiêng ứng suất nén chịu kéo Nguyễn Văn B 17 Cầu Anh_K46 Đồ án TKMH - KCBTCT Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG : Góc nghiêng của của cốt thép đai với trục dọc : Hệ số sức kháng cắt, với bê tông tỷ trọng th-ờng lấy bằng 0,9 Av: Diện tích cốt thép chịu cắt trong cự ly S Vs : Sức chống cắt của cốt thép đai Vc: Sức chống cắt của b tông Thông th-ờng cốt thép đai... thanh cốt thép S Cần phải đủ lớn cho bê tông t-ơi có thể di chuyển dễ dàng qua cốt thép trong b tông trong quă trình đổ bê tông Ngoài ra nếu các thanh cốt thép đ-ợc đặt quá gần nhau thì chúng có thể tạo thành một mặt giảm yếu gây nứt chẻ trong bê tông Ng-ợc lại, nếu các thanh cốt thép đ-ợc đặt quá xa nhau chúng sẽ không có tác dụng trong việc hạn chế vết nứt gây ra bởi ứng suất riêng trong b tông là... không quá dày, cốt thép đai th-ờng có dạng hai nhánh Khi có s-ờn dày, có thể sử dụng cốt thép đai gồm nhiều thanh lồng vào nhau Yêu cầu: số hiệu cốt thép đai không nhỏ hơn 10, cốt thép đai phải liên tục ở vùng chịu kéo của dầm Quy định cốt thép ngang và cánh ở bầu dầm Cốt thép ngang ở cánh và bầu dầm ngoài vai trò chịu mômen uốn ngang trong bản còn có tác dụng chịu các lực kéo ngang giữa cánh dầm với... đến trọng tâm của lớp cốt thép th- nhất dc = 60(mm) A At : Là diện tích vùng b tông chịu kéo chia cho số l-ợng thanh cốt thép trong bc vùng chịu kéo At đ-ợc xác định là vùng diện tích b tông có trọng tâm trùng trọng tâm của các thanh cốt thép chịu kéo và bc là số l-ợng thanh cốt thép kéo quy đổi Ta có yA = h - d = 130 mm Nguyễn Văn B 21 Cầu Anh_K46 Đồ án TKMH - KCBTCT At Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG 360.2... thanh Cốt thép chịu kéo có db = 22,2 mm t-ơng ứng với thanh số 22 nên Smin > 22,2 mm Vậy chọn khoảng cách giữa các lớp Slmin là 70 mm 7 Bố trí cốt thép đai và cốt thép dọc cấu tạo Quy định chung về cốt đai Cốt thép đai đóng vai trò chịu cắt và tạo khung khi đổ bê tông, th-ờng đ-ợc đặt vuông góc với trục dầm và ôm quanh cốt thép dọc, đầu thanh phải đ-ợc uốn móc 90 o hay 135o hoặc hàn vào cốt thép dọc... cách bằng khoảng cách của cốt thép đai s-ờn Quy định về cốt thép dọc cấu tạo Cốt thép dọc cấu tạo, đ-ợc bố trí trong dầm để chịu các ứng suất do co ngót, từ biến, to hoặc các tác động khác mà ch-a đ-ợc xét đến trong các tính toán thông th-ờng Đối với các cấu kiện bê tông khối lớn, với kích th-ớc của các chiều lớn hơn 1200 mm TC22TCN 272- 05 quy định nh- sau: Cốt thép dọc cấu tạo có kích cỡ thanh nhỏ... cốt thép cũng ảnh h-ởng đến chiều dài triển khai của chúng Vậy khoảng cách cốt thép đ-ợc hạn chế cr giá trị tối đa cũng nh- tối thiểu - Quy định về khoảng cách tối thiểu theo ph-ơng ngang giữa các thanh côt thép + Đối với b tông đổ tại chỗ Nguyễn Văn B 11 Cầu Anh_K46 Đồ án TKMH - KCBTCT Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG 1,5db S min max 1,5d a 38mm d a : kích th-ớc tối đa của cốt liệu d b : đ-ờng kính thanh cốt. . .Đồ án TKMH - KCBTCT c a 1 c d 23, 74 0.76 31, 24 600 Bộ MÔN KếT CấU XÂY DựNG 31, 24 mm 0, 05 0, 42 Vậy thoả mãn hàm l-ợng cốt thép tối đa để đảm bảo tính dẻo Trong đó c : chiều cao trục trung hoà 1 : hệ số khối ứng suất 5 Tính toán lựa chọn diện tích cốt thép chịu kéo f c' As 0,85 a b fy As 0,85 41 2000 23, 74 420 3940 mm2 Chọn 12 thanh cốt thép #22 có tổng diện tích As = 4644 mm2 6 Bố trí cốt thép. .. IV Triển khai cốt thép chịu uốn và vẽ biểu đồ bao vật liệu a/ Các quy định về cắt và uốn cốt thép - Theo tiêu chuẩn 22 TCN 272- 05 quy định + Không đ-ợc kết thúc nhiều hơn 50% cốt thép tại bất kỳ mặt cắt nào, các thanh kề nhau không đ-ợc kết thúc trong cùng một mặt cắt + ít nhất 1/3 cốt thép chịu mô men d-ơng trong các cấu kiện nhịp giản đơn phải đ-ợc kéo dài dọc theo cùng một mặt của cấu kiện qua đ-ờng