Bài giảng Kết cấu thép - Chương 4: Dầm thép - Hồng Tiến Thắng

10/2/2014 1 Tr−ờng đại học thuỷ lợi Khoa công trình Bộ môn kết cấu công trinh ======= BÀI GiẢNG Kết cấu thép GVHD Hồ Tiế Thắ 1 : ng n ng Bộ mụn Kết Cấu Cụng Trỡnh Nội dung mụn học • Chương 1: Cơ sở thiết kế kết cấu thộp Ch 2 Liờ kết hà• ương : n n • Chương 3: Liờn kết Bulụng • Chương 4: Dầm thộp • Chương 5: Cột thộp • Chương 6: Dàn thộp 2 + Bài tập nộp: 4 DẦM THẫP  4.1. Khỏi niệm chung  4.2. Thiết kế dầm định hỡnh  4.3. Thiết kế dầm ghộp 3 Đại học Thủy Lợi Bộ mụn Kết Cấu Cụng Trỡnh GVHD: Hồng Tiến Thắng 4.1. Khỏi niệm chung 4.1.1. Phân loại dầm: • Định nghĩa: dầm là phân tố chủ yếu chịu uốn . - Tiết diện : th−ờng dùng tiết diện chữ I, vì W/F = lớn. • Phân loại: - Dầm định hình: Chế tạo sẵn trong nhà máy, theo kích th−ớc quy định. - Dầm ghép: Tiết diện ghép bằng các tấm thép, dùng liên kết 4 hàn , đinh tán 10/2/2014 2 Ưu điểm Chế tạo nhanh, cấu tạo đơn giản, liên kết đơn giản, chi phí không cao Nh−ợc điểm Dầm định hình Chiều dày bản bụng b quá lớn so với yêu cầu chịu lực Dầm ghép Kích th−ớc tuỳ chọn  Khả năng chịu lực lớn Ưu điểm Nh−ợc điểm Tiết diệ ủ dầ ó thể th đổi hù hợ Thiết kế phức tạp, Chế tạo tốn công n c a m c ay p p với biểu đồ M tiết kiệm vật liệu Chỉ khi nào không thể dùng đ−ợc dầm định hình mới dùng dầm ghép Do EJy dễ bị mất ổn định tổng thể. 4.1.2. Nguyên tắc tính toán: • Trạng thái giới hạn 1: - C−ờng độ  = M/Wth  R ổ- n định M/Wng  th = dR • Trạng thái giới hạn 2: - Độ võng ftc/L  1/n0 4.1.3. Cách bố trí hệ dầm: kiểu đơn giản kiểu phổ thông kiểu phức tạp Liên kết dầm phụ với dầm chính có 2 cách: + Dầm phụ đè lên dầm chính + Dầm phụ đặt bằng mặt với dầm chính Van cung dầm chính kiểu dầm L=7,5m H=5m 10/2/2014 3 -Từ sơ đồ kết cấu thực tế 4.2. Thiết kế dầm định hỡnh 4.2.1. Chọn tiết diện: thiết lập sơ đồ tính toán 6x5mM -Vẽ biểu đồ M và Q -Xác định mômen chống uốn yêu cầu mR MWyc max - Căn cứ vào bảng tra thép chọn số hiệu thép có: Wx > Wyc Q • Kiểm tra điều kiện bền Ưng suất pháp: mRM  4.2.2. Kiểm tra tiết diện chọn: Wth Ưng suất tiếp: c bx x mR J SQ   max Kiểm tra ứng suất cục bộ: mRP  Z = b +2h1 Zb cb  Gia cố khi ưs cục bộ lớn ?? Đặt s−ờn chống • Kiểm tra về độ võng (độ cứng): 0 1 nl f TC  • Kiểm tra ổn định tổng thể : L - Hiện t−ợng P nhỏ dầm chỉ uốn quanh trục X dầm o chỉ uốn quanh trục X ò ố h P lớn => Làm cho dầm bị vênh, vặn vỏ dỗ  mất ôđ tổng thể c n u n quan trục y và còn bị xoắn -Điều kiện để dầm không bị mất ổn định tổng thể mR W M ngd   2 XJ           o Y d l hJ  = f() 2 0.54,1    h L J J y xoan y lo loJxoan: Bảng 4.5 (trang 66) Giải phỏp xử lý khi mất ễĐTT ?? L Giảm L0 Tăng Jy Mở rộng bản cánh 10/2/2014 4 M<0,85Mmax 0,85Mmax<M<Mmax Tải trọng nhỏ Dùng đ−ờng hàn Dùng đ−ờng hàn chỉ dùng có 3 cách 4.2.3. Nối dầm định hình: đối đầu đối đầu kết hợp bản ghép bản ghép ớ h h h N N T n n ư đh đối đầu chịu MQ M=Mdh + Mbg Mdh= W.Rkh  M bg = M - M dh N=M/h Đh gúc chịu lực dọc Ví dụ: Kiểm tra dầm đơn chịu tải trọng phân bố đều qtc = 20 kN/m, nq = 1,3. Tiết diện chữ IN040 có các đặc tr−ng hình học: Jx = 18930 cm4 Jxoắn = 40,6 cm4 Jy = 666 cm4 Sx = 540 cm3 Wx = 947 cm3 b = 0,8 cm R = 2100 daN/cm2 Rc = 1300 daN/cm2 , m =1, 1/n0=1/600 I IN040- Kiểm tra c−ờng độ : q = nq qtc=26kN/m Mmax=117kNm Qmax=78kN 4 2 2max 2 2 2max 117.10 1235,48 / . 2100 / 947 78.10 .540 278 13 / 1300 / th x M daN cm m R daN cm W Q S d N R d N       - Kiểm tra c−ờng độ: , . 18930.0,8 cx b a cm m a cm J       - Kiểm tra độ võng: 600 1 n 1 706 1 18930.10.1,2 600.20. 384 5 JE Lq. 384 5 L f o 6 3 x 3tctc  - Kiểm tra ổn định tổng thể : R W M ngd  12,21 40 600 666 6,40.54,1.54,1 22      h L J J o y xoắn 125161221  α Ψ Bảng 4.2 (trang 64) ,, 35,312,5. 8 99,255,399,2  16 2,99 24 3,55 2 2 3 666 40. 3,35.10 . 0,524 18930 600 y d J h J L              4 2 2117.10 2357,8 ( / ) . 2100( / ) 0,524.947 x o d M daN cm m R daN cm W        Dầm bị mất ổn định tổng thể 10/2/2014 5 * Xỏc định chiều cao tiết diện h Fc 4.3. Thiết kế dầm ghộp 4.3.1. Xác định chiều cao của dầm ghép: Điều kiện kinh tế hmin hkt h = max(hkt, hmin) - Chiều cao nhỏ nhất hmin FbĐiều kiện độ cứng 1f Từ điều kiện độ võng t−ơng đối: onL Với dầm đơn chịu tải trọng phân bố đều: 3( )5 1 (*) 384 tc tc x o p qf L L E J n    Với: 2 h. R M 2 hWJ maxycx  2 max 8 p qM L . . tc p tc q p p n q q n       Thay vào (*) 5 tc tcR L   min .24 o p qnh E p q    - Chiều cao kinh tế hkt Là chiều cao mà dầm có diện tích nhỏ nhất nh−ng vẫn đảm bảo chịu lực (W = const) + Nếu h   Fc  ; Fb ( vì W = const ) + Nếu h   Fc  ; Fb  C1: Vẽ biểu đồ quan hệ giữa diện tích tiết diện (F) và chiều cao dầm (h) Chiều cao kinh tế của dầm (hkt) là giá trị ứng với Fmin C2: F = f(h) = Fb + 2Fc ;  0 dh dF cực trị = hkt 19 3 ycbkt W5,1h  trong đó đã biếtb chọn: 70  80 : dầm không s−ờn 100  160 : dầm có s−ờn R MWyc max * Chiều cao của dầm: h = max (hkt, hmin) Fc Fb 4.3.2. Chọn tiết diện của dầm ghép: * Chiều cao bản bụng của dầm: hb = 0,95h (lấy trũn bội số 50 mm) ề* Chi u dày bản bụng b: c bx R J Qs   cb b Rh Q 2 3 1 - Theo điều kiện chống cắt: (bản bụng chịu toàn bộ lực cắt) - Theo điều kiện độ mảnh bản bụng: b b b h  2 => Chiều dày bản bụng đ−ợc xác định: b = max (b1, b2) (b đã đ−ợc chọn khi xác định hkt) 10/2/2014 6 Từ mụ men chống uốn yờu cầu:        23 2 2 12 22 c cc bbx yc h b h hh J W  a1 * Chiều rộng bản cỏnh của dầm: - Theo điều kiện c−ờng độ:  thay: hc = hb + c ; h = hb + 2c  2 3 6 ccc bb yc hb hhW  2 3 )( 6/ cbc bbyc c h hhW b     Th điề kiệ ổ đị h bộ- eo u n n n cục : 12100 2100 30 15 c b c b a R R    Với: 21 bcba  Có thể thay đổi chiều rộng bc, dày c của bản cánh, nh−ng giữ nguyên F a1 * Chiều dày bản cỏnh của dầm: mmhc )4020(02.0  T−ơng tự nh− kiểm tra tiết diện dầm định hình mR W M th  max c bx o mR J SQ   max 4.3.3. Kiểm tra tiết diện đ∙ chọn: * Kiểm tra c−ờng độ: ứng suất pháp: ứng suất tiếp: . mR 22 3 * Kiểm tra độ cứng (độ võng) : ép cục bộ: R z Pn b  với z = b + 2c và n = 1 Dầm đơn chịu tải trọng phân bố đều 3 tctctc 1L pq5f    Tổng hợp: ox tctctc n Lk JE pq L f 1 25 31 384 5 3 3       x ox J JJ k  Jo Jx ∆ Xét đến sự thay đổi tiết diện ox nJE384L ( Jo Jx hoặc ho  0,4h ) 16 * Liên kết giữa bản bụng và bản cánh: Tại nơi tiếp xúc giữa bản cánh và bản bụng: lực cắt trên một đơn vị dài c b QS T  xJ Khả năng chịu cắt của đ−ờng hàn:   hghhc RhT 2 Yêu cầu:  hcTT   hgh x c Rh J SQ 2 h gx c h RJ QSh 2 10/2/2014 7 * Kiểm tra ổn định tổng thể: Cách kiểm tra nh− dầm định hình, Jxoắn xác định nh− sau: R W M ngd   33 233,1 ccbbxoan bhJ   12b2J 3 cc y          3 32 2 18 cc bb c co b h hb L   2 0.54,1    h L J J y xoan Bảng 4.2 (trang 64) =>  2 XJ           o Y d l hJ Hiện t−ợng mất ổn định cục bộ II * Kiểm tra ổn định cục bộ: b Hiện t−ợng từng phần của bản mỏng bị uốn cong nh− trên gọi là hiện t−ợng mất ổn định cục bộ Nguyên nhân Ứng suất tới hạn < ứng suất chảy Nguyờn nhõn I II III M Q Xuất hiện 3 vùng I – Q lớn , M 0 () III – M lớn Q 0 ( ) . ƯS tới hạn > c ƯS tới hạn = c ƯS tới hạn < c Tấm bị phỏ hoại bởi cường độ Tấm bị phỏ hoại bởi cường độ Tấm bị mất ụđcb trước khi II – M,Q đều khá lớn ( -) trước khi bị mất ụđcb đồng thời bị mất ụđcb bị phỏ hoại bởi cường độ nguy hiểm khú nhận biết sớm phỏ hỏng kết cấu Công thức xác định ứng suất tới hạn trong tấm chữ nhật: hoδ Theo lý thuyết ổn định th Tỉ lệ thuận với chiều dày , Tỉ lệ nghịch với bề rộng bản ho phụ thuộc vào liên kết xung quanh chu vi Ko σth Cụ thể cho 3 mô hình liên quan đến dầm: d c ho  ho   3 2 2 10. 10095,025,1        dth   d cd – Cạnh ngắn 3 2 10. 100 08,0     o th h  daN/cm2 23 2 /10. 100 cmdaN h K o oth      Ko phụ thuộc liên kết chu vi 10/2/2014 8 a. ổn định cục bộ của bản cánh a1  q F= qc a1 2 3 1 1000,08.10 .cth a       Để cánh nén của dầm không bị mất ổn định cục bộ thì: th  c Xét tới á ế tố c 2/240010.10008,0 3 2 1 cmdaN a c      (CT3) 257,181  c a  c c y u : +Thực tế liên kết giữa bản cánh và bản bụng không phải hoàn ngàm cứng +Trong bản cánh ngoài ứng suất pháp còn có ứng suất tiếp + Bản cánh không hoàn toàn phẳng + Thép khác thép CT3 R a c 2100151  b. ổn định cục bộ của bản bụng I II III M Xuất hiện 3 vùng I – Q lớn, M 0 () QIII – M lớn Q 0 ( ) II – M,Q đều khá lớn ( -) .Mất ổn định do ứng suất tiếp  - vùng I hb 3 2 2 10. 10095,025,1        d b th   bh L Ngan Dai  095,0 2  3 2 b b th 10.h 100 25,1      L 2400.6,06,0 3 10.10025,1 3 2     ccc b b th h  90 1440 10.100.25,1 32  b b b h  Điều kiện ÔĐCB do ứng suất tiếp 70 h b b  b R h b b 210070QP  aKhi => gia cố bằng s−ờn đứng amax = 2hb nếu b = hb/b >100 amax = 2,5hb nếu b = hb/b  100 b bs s bssbs Mất ổn định do ứng suất pháp  MM 23 2 /10.100 cmdaN h K b b oth      với Ko = f() 3     b c b c h bC   Tấm cứng hb δb 0,8 1 2 Ko 6,3 6,62 7,0  C- hệ số phụ thuộc liên kết cánh nén với các bộ phận khác C= 2 C=∞ a/ b/ 10/2/2014 9 2/240010.100 3 2 cmdaN h k c b b oth      Bụng dầm không bị mất ổn định cục bộ khi 0,8 1 2 Ko min = 6,3  162 b bh  R 2100160 h b b QP  Ko 6,3* 6,62 7,0 160b b h   gia cố s−ờn dọc   a Mất ổn định do tác dụng liên hợp của ứng suất pháp và tiếp (  , ) m 2 b 2 b          Điều kiện ổn định cục bộ đ−ợc xác định bởi công thức thth    bb b h Q   n x b yJ M 21 a1 ≤ hb a2 ≥ hb hb yn a≤ hb M lấy ở giữa ô. a>hb M lấy ở giữa ô hình vuông có cạnh là hb và lấy lệch về phía mô mên lớn. M QQ1 M1 Q2 M2 Q luôn lấy ở giữa ô với Ko = f() 3     ccbC  2/10.100 3 2 cmdaN h k b b oth      m 2 th b 2 th b             bbh  0,8 1 2.. Ko 6,3 6,62 7..   2/10)100)(95,025,1( 322 cmdaNd b th    Ví dụ Xác định M để tính σb của ô số 4 với P=88KN 4 Vẽ biểu đồ M 2P2P 4 1,5m hb 3P M 9P 12PM Z=1,5x4-0,5 =5,5m