Đang tải... (xem toàn văn)
CHƯƠNG 6, DẦM LIÊN HỢP, THÉP - BÊ TÔNG
CHƯƠNG 6 DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 96 1. CẤU TẠO Dầm liên hợp thép – bê tông được tạo bởi một dầm thép cán nóng hoặc dầm thép tổ hợp hàn và tấm sàn bê tông cốt thép. Tấm sàn được liên kết với dầm thép để đảm bảo sự làm việc đồng thời giữa chúng. Có nhiều cách để liên kết giữa tấm đan và dầm thép. Trong luận văn này, ta sử dụng liên kết chốt hàn là loại phổ biến và đáng tin cậy nhất hiện nay. Hình 6.1. Một số tiết diện dầm liên hợp Dầm liên hợp được kiểm tra ở hai trạng thái giới hạn là trạng thái phá hỏng và trạng thái sử dụng. Khác với dầm bình thường, tính toán dầm liên hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại tiết diện, phương pháp thi công, hình thức liên kết giữa tấm đan và dầm thép, vị trí trục trumg hòa trên tiết diện ngang… Trong luận văn này, ta bỏ qua kiểm tra dầm thép trong giai đoạn thi công vì thường là thỏa. 2. CHIỀU RỘNG THAM GIA LÀM VIỆC CỦA SÀN Khi chịu uốn, một phần tấm đan của sàn bê tông sẽ cùng tham gia làm việc tạo thành tiết diện chữ T. Trên bề rộng tham gia làm việc b eff này, ứng suất pháp sẽ coi là phân bố đều. Hình 6.2. Chiều rộng tham gia làm việc của sàn b eff DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 97 Khi sườn tấm tôn đặt vuông góc với nhịp dầm, chỉ có vùng bê tông phía trên sườn được xem như chịu nén trong tính toán.Khi sườn tấm tôn song song với nhịp dầm, vùng bê tông nằm trong sườn cũng được kể đến trong tính toán (hình 6.3) Hình 6.3. Bề rộng hiệu quả của sàn theo hướng dặt tấm tôn. 2.1. Ở vị trí giữa nhịp và gối trung gian Chiều rộng tham gia làm việc của dầm được xác định như sau: 12eff e e b b b Với b ei = min(L o /8, b i ) Trong đó L 0 là khoảng cách xấp xỉ giữa 2 điểm có mômen bằng 0. Đối với dầm đơn giản : L 0 là nhịp dầm. Đối với dầm liên tục : L 0 là chiều dài dầm chịu mômen dương (đối vối nhịp) và là chiều dài dầm chịu mômen âm (đối với gối) xác định từ hình 6.4 Hình 6.4. Nhịp tương đương để xác định chiều rộng tham gia làm việc của sàn đối với dầm liên tục. 2.2. Ở vị trí gối biên Chiều rộng tham gia làm việc của dầm được xác định như sau: 1 1 2 2eff e e b b b DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 98 Với 0 0,55 0,025 1,0 i ei L b Trong đó : L 0 là chiều dài nhịp tương đương của nhịp biên xác định như trên hình 6.4 b ei xác định như trên mục 2.1 3. PHÂN LOẠI TIẾT DIỆN NGANG Tùy theo khả năng xoay của tiết diện mà ta chia tiết diện ngang ra làm 4 loại: Loại 1 : tiết diện có khả năng phát triển mômen bền dẻo với khả năng xoay đủ để hình thành khớp dẻo. Loại 2 : tiết diện cũng có khả năng phát triển mômen bền dẻo nhưng với khả năng xoay hạn chế. Loại 3 : Mất ổn định cục bộ do một phần tiết diện thép bị oằn trong khi chịu nén nên khả năng chịu uốn dẻo có thể không đạt được mặc dù ứng suất thớ ngoài cùng của tiết diện thép có thể đạt tới giới hạn chảy. Loại 4 : sự mất ổn định cục bộ trong tiết diện thép xảy ra trước khi thớ ngoài đạt đến giới hạn chảy. Ta chỉ khảo sát dầm có tiết diện 1 hoặc 2 là loại thường gặp trong xây dựng dân dụng. Các tiết diện 3 hoặc 4, do hiện tượng mất ổn định cục bộ bản bụng hoặc cánh, khả năng chịu lực giảm đi, cần những tính toán riêng không đề cập đến trong luận văn này. Trong bảng 6.1 & 6.2 đưa ra các giá trị giới hạn độ mảnh của bản cánh và bản bụng dầm thép cho các tiết diện loại 1 và 2 khi tiết diện chịu uốn với mômen âm (M Sd < 0) và cánh nén không được giữ ổn định bởi tấm sàn liên hợp. Hệ số 235 y f (với f y (N/mm 2 ) là giới hạn chảy của thép dầm) cho phép kể đến các loại thép khác nhau. Trị số trong ngoặc chỉ các chỉ các giới hạn bất lợi có thể chấp nhận khi dầm thép không được bọc hoàn toàn trong bê tông . Khi tiết diện chịu mômen dương (M Sd > 0) sự có mặt của tấm đan sẽ đóng vai trò khi phân loại như sau: Tất cả các cánh chịu nén của dầm thép nếu được liên kết với sàn composite bằng các liên kết được bố trí theo các khoảng cách thích hợp (nhỏ hơn 20tε đối với tấm sàn đặc và 5tε đối với tấm sàn có sườn vuông góc với dầm) có thể được coi như tiết diện loại 1. Khi chịu moment dương, nếu trục trung hòa dẻo nằm trong bê tông hoặc cánh trên và được liên kết với tấm sàn thì tiết diện liên hợp là loại 1 do bản bụng và cánh dưới chịu kéo hoàn toàn. Trường hợp ngược lại, trục trung hòa dẻo nằm trong bản bụng thì tiết diện là loại 2 do sự tăng ép mặt của tấm sàn gây nén phần trên của tiết diện làm hạn chế khả năng quay của tiết diện. DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 99 Bảng 6.1. Bảng phân loại cánh dầm thép chịu nén Dầm thép tiết diện chữ I hoặc H Phân loại Thép định hình Thép tổ hợp hàn 1 10 c t 10 c t 9 c t 9 c t 2 11 c t 15 c t 10 c t 14 c t Bảng 6.2. Bảng phân loại bụng dầm thép chịu nén Phân bố ứng suất Phân loại Bụng chịu uốn α = 0,5 Bụng chịu nén α = 1 Bụng chịu uốn nén 0 ≤ α ≤ 1 1 72 d t 33 d t Khi α > 0,5 : 396 13 1 d t Khi α ≤ 0,5 : 36d t 2 83 d t 38 d t Khi α > 0,5 : 456 13 1 d t Khi α ≤ 0,5 : 41,5d t 4. KIỂM TRA THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN TỚI HẠN 4.1. Sức bền tiết diện đối với mômen uốn 4.1.1. Các giả thiết tính toán Khả năng chịu uốn của tiết diện loại 1 và loại 2 được xác định bằng phân tích dẻo. Một số giả thiết đơn giản hóa: - Xem tương tác giữa dầm thép và bản bê tông là hoàn toàn; DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 100 - Tất cả các thớ của dầm thép đạt đến giới hạn chảy trong vùng kéo và nén. Ứng suất trong các thớ bằng giới hạn chảy tính toán f yd (= ± f y /γ a ). - Ứng suất nén trong bê tông là phân bố đều và bằng 0.85 c ck f . Hệ số 0,85 cho phép đối với sự khác nhau giữa cường độ mẫu hình trụ thí nghiệm và cường độ thực tế quan sát được trong cấu kiện. - Bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông và lấy bằng zero. - Khi chịu kéo, cốt thép trong bản bê tông đạt đến giới hạn chảy với ứng suất bằng f sk /γ s . - Cốt thép bản trong vùng nén có tác dụng rất ít đến khả năng chịu moment cuả tiết diện nên có thể bỏ qua. 4.1.2. Sức bền tiết diện chịu mômen dương Sức bền dẻo của bản bê tông chịu nén : 0,85 ck cf c eff c f N h b Sức bền dẻo của dầm thép khi chịu kéo : , y pl a a a f NA Trường hợp 1 : Trục trung hòa nằm trong bản bê tông Hình 6.5. Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hòa đi qua bản bê tông (Mômen dương) Trục trung hòa dẻo qua bản bê tông thì N cf > N pla Chiều cao vùng bê tông chịu nén , 0,85 pl a c eff ck c N zh bf Khả năng chịu uốn của tiết diên, lấy momen đối với trọng tâm vùng nén DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 101 ,, 0,5 0,5 a c p pl Rd pl a M N h h h z Trường hợp 2 : Trục trung hòa đi qua cánh của dầm thép Hình 6.6. Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hòa đi qua cánh dầm thép(Mômen dương) Trục trung hòa dẻo qua cánh dầm thép thì , , 2 – cf pl a f f y pl a cf a NN b t f NN Cánh tay đòn z từ mặt trên sàn đến trục trung hòa có thể tính được từ công thức , 2/ c p y a pl a cf f N N b z h h f , 2 a pl a cf cp y f NN z h h bf Khả năng chịu uốn tiết diện dầm, lấy momen với trọng tâm vùng chịu nén của bê tông , , , 0,5 0,5 0,5 a c p p pl Rd pl a pl a cf M N h h h N N z h Trường hợp 3 : Trục trung hòa đi qua bản bụng của dầm thép Trục trung hòa dẻo qua bản bụng dầm thép thì , , 2 – cf pl a f f y pl a cf a NN b t f NN DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 102 Hình 6.7. Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hòa đi qua bản bụng của dầm thép(Mômen dương) Nhận xét : w w w w , 2 , 1 , , 2 , 1 w w w w , 2 , 2 ww ww / / / 2 // 2/ / 2 / y a y a pl a pl a pl a pl a pl a cf y a y a pl a pl a cf ya cf ya cf N t z f N t z f N N N N N t z f N N t z f N t z f z N t f Khả năng chịu uốn tiết diện dầm, lấy momen với trục trọng tâm thép hình w ,, 0,5 0,5 0,5 a c p pl Rd apl Rd cf cf M M N h h h N z M apl,Rd : mômen kháng uốn tiết diện dầm thép có được từ các đặc trưng hình học tiết diện dầm. 4.1.3. Sức bền tiết diện chịu mômen âm Sức bền dẻo của cốt thép dọc : s sk s s Af F Các giả thiết cơ bản: Liên kết giữa thép và bê tông là hoàn toàn Tất cả các thớ - thép và cốt thép : đạt đến giới hạn chảy Bê tông nằm hoàn toàn trong vùng chịu kéo: bỏ qua khả năng chịu lực Các ký hiệu: A s là tổng diện tích cốt thép đặt trong phạm vi bê rộng tính toán b eff h s là khoảng cách giữa trọng tâm cốt thép và đỉnh của cánh trên của tiết diện dầm thép. DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 103 Trường hợp 1 : Trục trung hòa qua cánh dầm thép Hình 6.8. Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hòa đi qua cánh dầm thép (Mômen âm) Trục trung hòa dẻo qua cánh dầm thép thì , , 2 – s pl a f f y pl a s a FN b t f NF Cánh tay đòn z f có thể tính được từ công thức , 2/ s ya pl a f f FzN b f Khả năng chịu uốn tiết diện dầm, lấy momen với trọng tâm cốt thép , , , 0,5 0,5 sfa s s pl Rd pl a pl a M N h h N F z h Trường hợp 2 : Trục trung hòa qua bụng dầm thép Hình 6.9. Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hòa đi qua bụng dầm thép (Mômen âm) Trục trung hòa dẻo qua bụng dầm thép thì , , 2 – s pl a f f y pl a s a FN b t f NF DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 104 Tương tự như trường hợp 3 tiết diện chiệu mômen dương (mục 4.2.3) có 2 sa w wy F z tf Khả năng chịu uốn tiết diện dầm, lấy momen với trục trọng tâm thép hình w ,, 0,5 0,5 0,5 ssa c p pl Rd apl Rd FM M F h h h z M apl,Rd : mômen kháng uốn tiết diện dầm thép có được từ các đặc trưng hình học tiết diện dầm. 4.2. Độ bền tiết diện khi chịu lực cắt và mômen Các thí nghiệm cho thấy, lực cắt xuất hiện trong dầm một phần sẽ do bản chịu, tuy nhiên việc lập mô hình phân phối lực cắt này không đơn giản, sự phân phối này phụ thuộc vào vị trí các liên kết và việc hình thành vết nứt trong bản ở các gối trung gian của dầm liên tục. Trong thực tế , giả thiết rằng lực cắt này chỉ do bản bụng của dầm thép chịu Điều kiện thỏa mãn khả năng chịu lực cắt đứng của dầm ,Sd pl Rd VV Khả năng chịu lực cắt , /3 v y a pl Rd V A f A v : diện tích chịu cắt của tiết diện dầm thép Đối với dầm I hay H tổ hợp hàn, Av là diện tích của bụng dầm Đối với dầm thép định hình được tính theo công thức aw A 2 2 v f f f A b t t r t r: bán kính bo tròn bản cánh và bản bụng. Điều kiện trên chỉ thỏa mãn khi bản bụng không bị mất ổn định do lực cắt, nếu / 69 w dt đối với bụng dầm không có sườn cứng và không được bọc bởi bê tông / 124 w dt đối với bụng dầm không có sườn cứng và được bọc bởi bê tông có các cốt dọc và cốt đai phù hợp. / 30 w d t k đối với bụng được gia cường bởi các sườn cứng cách nhau khoảng cách là a và không bọc trong bê tông. Với k τ là hệ số mất ổn định được tính như sau : 2 2 4 5,34 / / , / 1 5,34 4 / / , / 1 a d a d k a d a d [...]... trục dầm thép, hệ số kl tính bằng kl 0 ,6 b0 hstud 1 1 hp hp Hình 6. 12 Sườn tôn song song với dầm thép 4.3.3 Yêu cầu bố trí các liên kết chốt hàn Hình 6. 13 Minh họa chi tiết chốt liên kết chịu cắt tại dầm biên (cho chốt có đường kính 19mm) 107 DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG Hình 6. 14 Minh họa bố trí chốt liên kết chịu cắt trên dầm (cho chốt có đường kính 19mm) 108 DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ... ≤0,5mm) Bảng 6. 7 Ứng suất cho phép lớn nhất trong cốt thép Đường kính max (mm) của 6 8 10 12 16 20 25 thanh thép Chiều rộng tính toán của vết Ứng suất lớn nhất của thép σs (N/mm2) nứt wk = 0,3 mm 450 400 360 320 280 240 200 wk = 0,5 mm 500 500 500 450 380 340 300 32 160 260 1 16 DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 6 LƯU ĐỒ THIẾT KẾ DẦM ĐƠN GIẢN LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG Bắt đầu A Giả thiết tiết diện dầm, thông... TÔNG Trong đó : - a – khoàng cách giữa các dầm thép * I 2 – mômen quán tính của bản sàn trên một đơn vị chiều dài dầm, khi tính bỏ qua vùng bê tông chịu kéo Ecm – module đàn hồi tiếp tuyến của bê tông Ea – module đàn hồi của thép dầm ha – chiều cao dầm thép Chiều cao dầm thép ha không được vượt quá giới hạn lấy theo bảng 6. 5 , phụ thuộc loại thép và có hay không có bọc bê tông Dầm thép hình IPE S235... cột L/400 Thực tế cho thấy trong hệ dầm sàn của nhà dân dụng, độ võng thường thỏa mãn khi tỷ số giữa nhịp của dầm và chiều cao toàn bộ tiết diện nằm trong khoảng sau : - Với dầm đơn giản : 15 – 18 đối với dầm chính; 18 – 20 đối với dầm phụ - Với dầm liên tục : 18 – 22 đối với dầm chính; 22 – 25 đối với dầm phụ 114 DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG Độ võng của dầm đơn giản liên kết hoàn toàn tính theo công... M apl , Rd , Rd Nf Với Mapl,Rd là mômen bền dẻo của riêng dầm thép Mpl,Rd là mômen bền dẻo của tiết diện liên hợp khi liên kết hoàn toàn ( red ) M pl , Rd là mômen bền dẻo suy giảm do liên kết không hoàn toàn 110 DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 4.3.5 Thiết kế liên kết chịu cắt đối với dầm chính liên hợp Việc thiết kế liên kết cho dầm liên tục tương đối phức tạp dựa trên các đặc điểm tính toán như... S355 S420/S 460 S235 S275 S355 S420/S 460 60 0 550 400 270 750 700 550 420 HPA 800 700 65 0 500 950 850 800 65 0 Bảng 6. 5 Chiều cao lớn nhất dầm thép để tránh bị mất ổn định trong vùng mômen âm 5 KIỂM TRA THEO TRANG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG 5.1 Kiểm tra độ võng Giá trị của độ võng giới hạn dầm liên hợp cũng lấy như đối với dầm thép theo bảng 6. 6 Bảng 6. 6 Giá trị giới hạn của độ võng thẳng đứng cho dầm và sàn... với bản sàn bê tông (1) VRd 2,5 Rd Lsb Ae f sk / s (2) VRd 0,2Ls fck b / c (1) Sức bền VRd có thể được hiểu giống như tổng sức bền chịu cắt của bê tông và (2) sức bền chịu kéo của cốt thép, VRd bằng thanh xiên ở góc được thể hiện bằng bê tông 111 DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG chịu nén τRd là sức bền chịu cắt của bê tông với hệ số 2,5 thể hiện ảnh hưởng của cốt thép ngang Bảng 6. 4 Bảng sức... Giả thiết tiết diện dầm, thông số vật liệu, liên kết Đặc trưng tiết diện Kiểm tra phân loại tiết diện Kiểm tra trong giai đoạn thi công Kiểm tra trong giai đoạn liên hợp Kết thúc 117 DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG KIỂM TRA PHÂN LOẠI TIẾT DIỆN Bắt đầu Thông số tiết diện ngang dầm thép Phân loại tiết diện Loại 1 hay 2 ? No A Yes Trở lại 118 DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG KIỂM TRA Ở GIAI ĐOẠN THI CÔNG Bắt đầu... các liên kết này khi dầm gần mất ổn định) Nếu dùng chốt có đường kính d, chiều cao h thì giới hạn giữa các chốt như sau : s ≤ 0,02bfd2h/t3 - Bản sàn có ít nhất hai dầm thép nhằm đảm bảo tao nên mô hình một sườn chữ U ngược - Độ cứng khi uốn ngang của bản bê tông (đặc hoặc liên hợp) phải đủ so với độ cứng của bản bụng, tiêu chuẩn này như sau : * 3 Ecm I 2 0,35Eatwa / ha 113 DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG... bảng 6. 3 Số chốt liên kết trong một sườn nr = 1 Bảng 6. 3 Bảng giá trị giới hạn kt,max Chiều dày Chốt có đường kính ≤ Chốt có đường kính 19mm tấm tôn thép 20mm và được hàn hay 20mm hàn qua tấm (mm) xuyên qua tấm tôn tôn có đục lỗ ≤1 0,85 0,75 >1 1 0,75 1 06 DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG nr = 2 ≤1 0,7 0 ,6 >1 0,8 0 ,6 Điều kiện áp dụng : d ≤ 20mm , b0 ≥ hp , hp ≤ 85mm Hình 6. 11 Sườn tôn vuông góc với dầm thép . CHƯƠNG 6 DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 96 1. CẤU TẠO Dầm liên hợp thép – bê tông được tạo bởi một dầm thép cán nóng hoặc dầm thép tổ hợp hàn và tấm sàn bê. quay của tiết diện. DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 99 Bảng 6. 1. Bảng phân loại cánh dầm thép chịu nén Dầm thép tiết diện chữ I hoặc H Phân loại Thép định hình Thép tổ hợp hàn 1. dẻo. Một số giả thiết đơn giản hóa: - Xem tương tác giữa dầm thép và bản bê tông là hoàn toàn; DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 100 - Tất cả các thớ của dầm thép đạt đến giới hạn chảy trong vùng