Bài giảng Kết cấu thép 1 Chương 3- Nguyễn Văn Hiếu

1



KẾT CẤU THÉP 1



C
C
H
H
Ư
Ư
Ơ
Ơ
N
N
G
G


3
3
:
:


T
T

H
H
I
I
Ế
Ế
T
T


K
K
Ế
Ế


D
D
Ầ
Ầ
M
M


T
T
H
H
É
É

P
P

G
G
V
V

:
:


N
N
G
G
U
U
Y
Y
Ễ
Ễ
N
N


V
V
Ă
Ă
N
N


H
H
I
I

Ế
Ế
U
U















T
T
p
p
.
.


H
H
C

C
M
M
,
,


T
T
h
h
á
á
n
n
g
g


0
0
2
2
/
/
2
2
0
0
1

1
3
3


2

§1. ĐẠI CƯƠNG VỀ DẦM VÀ HỆ DẦM
1. Các loại dầm
1.1. Theo cấu tạo

Dầm định hình
C¸nh dÇm
C¸nh dÇm
B¶n phñ c¸nh dÇm
C¸nh dÇm
B¶n bông dÇm
B¶n bông dÇm
§inh t¸n hoÆc bu l«ng
ThÐp gãc
c¸nh dÇm
x x
y
y
B¶n bông dÇm
xx xx
y
y
y
y

Dầm tổ hợp
1.2. Theo sơ đồ kết cấu

Hình 3.3. Phân loại dầm theo sơ đồ kết cấu


3
2. Hệ dầm:
2.1. Khái niệm: Hệ dầm là kết cấu không gian gồm dầm chính, dầm phụ
bố trí thẳng góc nhau.
2.2. Phân loại: Tùy theo cách sắp xếp dầm ta có 3 loại hệ dầm:
a. Hệ dầm đơn giản:Dầm làm việc như bản kê hai cạnh, khả năng chịu lực
kém, chỉ phù hợp với tải trọng nhỏ, chiều dài cạnh ngắn ô sàn không lớn.


4
b. Hệ dầm phổ thông :Khi tải trọng và kích thước của sàn không lớn (q≤
3000daN/m2; ô sàn≤12x36m) sử dụng hệ dầm phổ thông có hiệu quả kinh
tế hơn các loại hệ dầm khác nhờ giảm lượng thép và dễ cấu kiện hơn.



5
c. Hệ dầm phức tạp: Hệ dầm này phức tạp và tốn công chế tạo  chỉ
thích hợp khi tải trọng sàn công tác lớn ( q≤ 3000daN/cm
2
).

6
2.2. Các cách liên kết dầm
a. Liên kết chồng
b. Liên kết cùng bản mặt
c. Liên kết thấp

Hình 3.5. Các cách liên kết dầm

7
3. Cấu tạo và tính toán bản sàn:
3.1. Xác định nhịp
l
và chiều dày bản sàn t:
Yêu cầu : trọng lượng sàn không lớn, cấu tạo không quá phức tạp mà vẫn đảm
bảo khả năng chịu được tải trọng. Biểu đồ gần đúng giá trị giữa nhịp lớn nhất l và
t.









tc4
o
1
0

q.n
E72
1.
15
n.4
t
l
(3.1)









l
n
0
- độ võng giới hạn, theo quy phạm: sàn
150
n
0

;
2
1
1
E

E




(3.2)
Với

- hệ số Poátxông của thép bản sàn
3
,
0
thép


;
3
,
0
1
10.1,2
E
6
3CT


26
1
cm/daN10.26,2E




Bề dầy sàn t được chọn theo tải trọng tiêu chuẩn  nhịp sàn l.

8
3.2. Kiểm tra:
Cắt một dải bản rộ
ng 1 cm,
sơ đồ tính toán là một dầ
m hai
gối tựa cố định chịu tải phân bố

đều q.

.H
8
l
.qM
2
max





1
1
.MM
0max

Hình 3.6. Sơ đồ tính của bản sàn
Trong đó:

tỷ số giữa H và lực tới hạn ơle, được xác định theo phương trình:
2
0
2
t
.3)1(











9
Kiểm tra điều kiện biến dạng, độ võng của bản sàn do tải trọng tiêu chuẩn q
và lực kéo H gây ra:









1
1
.
0
(3.6)
Với
0

- độ võng dầm do tải trọng tiêu chuẩn
q
trên dầm;
J.E
l.q
.
384
5
1
4
0


(3.7)
Kiểm tra điều kiện độ bền:
c
max
.f
W
M

A
H




(3.8)
Trong đó:


2
2
l
EI
H 
(3.9)
Tính được chiều cao đường hàn liên kết bản sàn và dầm chịu lực kéo H ở gối
tựa:

c
min
f
.)f.(
H
h


(3.10)

10

§2. CÁC KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA DẦM
Khi thiết kế cụ thể cần xác định được hai kích thước cơ bản là chiều dài và chiều
cao của tiết diện dầm.
1. Nhịp và bước của dầm
l
h
h
 
L
1
o
L
l
L

c)

Gối tựa: - tường gạch l=L
1

- cột bê tông, giằng bê tông: l=L
o
+(L
1
-L
o
)/2
- an toàn lấy l=L

11

2. Chiều cao dầm: Dựa vào:





max
min
kt
hhh
hh

a.
kt
h
: trọng lượng thép là min

Thể tích một đơn vị dài của dầm:
V
d
= V
f
+ V
w
= 2.A
f
.l.

f
+A

w
.l.

w

Gần đúng xem cánh dầm chịu toàn bộ
M và:
fwd
h
h
h



h
/
M
N

;
h.f
M
f
N
A
f

;
h
.

t
A
w
w


Nên:
wwfd
.h.tc
f.h
M
.2
V



Với: c

1: hệ số kể đến một phần M do bụng dầ
m
chịu.
d
V
cực tiểu khi:
0
h
V
d





0
h.f
M
.
2
.f
f
2
ww




Hình 3.8. Kích thước dầm

Hình 3.9. Xem cánh chịu
toàn bộ M

12

w
w
f
kt
t.f.
M c.2
h




hoặc
w
yc
kt
t
W
kh 

với:
w
f
kt
.c.2
h



: phụ thuộc hình thức cấu tạ
o
dầm; dầm tổ hợp hàn
15
,
1
2
,
1
k



; dầm tổ hợ
p
đinh tán
2
,
1
25
,
1
k


.

Hình 3.10. Mối quan hệ
giữa V và h dầm
- Khi tính toán
kt
h
của dầm, xét sự thay đổi
w
w
w
t
/
h


:

3
ycw
kt
2
W 3
h



- Ta thấy: h
w
lớn hơn và t
w
mỏng  λ
w
sẽ lớn  Dầm nhẹ. Tuy nhiên, t
w
không
được quá mỏng để thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ bản bụng.
- Từ (3.17):
fwf
d
ww
V2V.
f.h
M
.
c
.
2

.t 

- thể tích dầm nhỏ nhất.

13
- Từ hình (3.10): khi h
d
lân cận giá trị
kt
h
, V
d
thay đổi không lớn  lấy h
d
h
kt

không quá 10-20 vẫn đảm bảo yêu cầu kinh tế.
b. h
min
: Xác định dựa vào điều kiện độ võng.
Dầm đơn giản:
I.E
l
).pg(
384
5
4
tctc



(3.18)

 
8
l
.pgM
2
tctc

(3.19)
Lại có quan hệ
2/h.WI;W.fM 


tb
min
ll
E
f
24
5
h









(3.20)
tb

: hệ số vượt tải trung bình
p
tc
g
tc
tctc
tb
.p.g
pg1






c. h
max
: Xác định dựa vào điều kiện xây dựng, tránh làm ảnh hưởng không gian
sử dụng.


14
§3. THIẾT KẾ DẦM HÌNH
1. Chọn tiết diện:
Từ sơ đồ dầm, tải trọng, hình thức liên kết gối ta tính được: M
max

, V
max
.

c
max
yc
x
.f
M
W


; nếu kể đến sự làm việc trong giai đoạn dẻo của thép:

c
1
max
yc
x
.f.c
M
W



1
c
: hệ số kể đến sự phát triển của biến dạng dẻo, dầm thép thông thường, tiết diện
không đổi, tải trọng tĩnh phân bó đều, lấy

1
c
=1,12.
Căn cứ vào yêu cầu về hình dạng tiết diện và các giá trị tính được, tra bảng quy
cách thép cán chọn ra hình dạng và số hiệu thép hình, thỏa mãn điều kiện:

yc
x
x
W
W

(3.23)

15
2. Kiểm tra tiết diện:
a. Độ bền chịu M: Theo ứng suất pháp:

c
x
.f
W
M



hoặc
c
x
1

.f
W.c
M




b. Độ bền chịu V:
cv
w
x
max
.f
t.I
S
.
V




c. Ứng suất do tải trọng cục bộ:

c
w
cb
.f
Z.t
P




với Z = b + 2.t
f


Hình 3.11. Ứng suất cục
bộ do tải trọng tập trung
d. Dầm chịu đồng thời
cb
,
,



:

c
2
cb
2
cb
2
td
.f.15,1.3.




e. Độ võng :








ll




f. Ổn định tổng thể: học trong phần dầm tổ hợp.

16
§4. THIẾT KẾ DẦM TỔ HỢP
1. Chọn tiết diện
a. Xác định chiều dày bản bụng dầm
Xác định chiều cao
max
min
h
h
h


và
kt
h
h


càng tốt.
t
w
chọn dựa vào h và V
max
:
cv
w
x
max
.f
t.I
S
.
V



(3.30)
8
h
.tS
2
w
w
 ;
12
h.t
I

13
ww
x


Hình 3.12. Dầm tổ hợp
hàn
Coi bụng dầm chịu toàn bộ lực cắt, ta có
c
v
w
max
w
.f.h
V
.
2
3
t



- Thực tế thiết kế, với dầm có chiều cao 1-2m, chịu tải thông thường:
1000
h
3
7t
w

, mm

17
- Theo điều kiện ổn định bản bụng, không dùng sườn gia cường:
E
f
5
,
5
h
t
w
w



b. Xác định chiều dày bản cánh dầm:
Xác định mômen quán tính cần thiết của tiết diện:

12
h.t
2
h
.
.f
M
12
h.t
2
h
.WIII

3
ww
c
max
3
ww
xbxc



Theo SBVL có thể xác định
2
h
.t.b
4
h
.t.b2
4
h
.A2I
2
f
ff
2
f
ff
2
f
fc


Ta có:
12
h.t
2
h
.
.f
M
3
ww
c
max


=
2
h
.t.b
2
f
ff

ff
t
.
b
=
2
f

3
ww
c
max
h
2
12
h.t
2
h
.
.f
M











Từ đó chọn:
ff
t
.
b
= A

f
thỏa mãn: -
mm
24
12
t
f



-
f
t
nên
mm
30

tránh phát sinh ứng suất phụ và khó hàn.
-
f/Et/b
ff

hay
ff
t
30
b

: thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ, ứng
suất pháp phân bố đều trên bản cánh nén.

18
-
h
)
5
/
1
2
/
1
(
b
f


;
mm
180
b
f

;
10
/
h
b
f

: đảm bảo điều kiện tổng thể

của dầm, dễ liên kết với cấu kiện khác.
2. Kiểm tra tiết diện:
a. Kiểm tra độ bền:
c
x
max
.f
W
M



;
cv
w
x
max
.f
t.I
S
.
V





4
h
.

2
A
2
h
.AS
ww
f
f

;
h
I
.
2
W
x
x


Tại vị
trí có M và Q:
c
2
1
2
1
.f.15,13



Hình 3.14. Kiểm tra tại vị trí có M, Q

Với
h
h
.
W
M
w
x
1


;
w
x
c
1
t.I
S
.
V



b. Ứng suất do tải trọng cục bộ sinh ra trong bản bụng dầm:
c
w
cb

.f
Z.t
P





19
c. Độ võng: nếu
min
h
h

thì không cần kiểm tra, còn lại thì kiểm tra:







ll



d. Ổn định tổng thể: (phần sau)
3. Thay đổi tiết diện dầm.
Theo chiều dài dầm, M thay đổi, để

tiết kiệm thép cần thay đổi tiết diệ
n
dầm theo sự thay đối của M. K
hi thay
đối tiết diện thì công chế tạ
o tăng, nên
chỉ cần thay đối tiết diện khi L≥10m.
- Thay đối chiều cao tiết diện h (a):
- Thay đối bề dày bản cánh (b) :
- Thay đối đột ngột bề rộ
ng cánh (c):

Hình 3.15. Biểu đồ mômen uốn của
dầm
a)
b)

20
→ tiết kiệm 10÷12 % thép, đơn giản.
- Thay đối từ từ bề rộng cánh (d):
→
tiết kiệm 20% thép.
c)
d)
§ 5. ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA DẦM THÉP
1. Hiện tượng:
Dưới tác dụng tải trọng P, dầm bị uốn trong mặ
t
phẳng tải trọng: dầm ổn định.
Tăng P đến lúc dầm vừa bị uốn vừa chịu, xoắ

n và
vênh ra khỏi mặt phẳng chịu lực: gây ra M
y

và momen
xoắn ngoài mặt phẳng uốn. Dầm mất ổn định tổng thể.

Lực làm cho dầm từ trạng thái ổn định sang trạ
ng



21
thái mất ổn định gọi là lúc tới hạn:
cr
P

→ Điều kiện ổn định của dầm:
Hình 3.17. Mất ổn
định tổng thể
cr
P
P


cr
M
M



cr




2. Công thức kiểm tra ổn định tổng thể:


/1I.E.I.G
l
c
M
2
yt
0
cr

(3.44)

: hệ số xét đến dạng biều đồ momen, phụ thuộc vào cách đặt tải theo chiều dài
dầm;
c- hệ số xét đến liên kết của dầm trên gối tựa và cách đặt tải lên cánh trên hay
cánh dưới dầm;
E, G - mô đun đàn hồi về uốn và cắt của vật liệu
)1(2
E
G




t
I
: momen quán tính xoắn, với I tổ hợp:
3
)t.ht.b2(25,1
I
3
ww
3
ff
t




22

: hệ số poátxông, với thép

=0,3;
Ứng suất tới hạn:
2
0
x
y
cr
cr
l
h

I
I
B
W
M










(3.45)
Với


/1.
h
l
.EG.
I
I
2
c
B
2
0

y
t



Hình 3.18. l
o

Hình 3.19
Kiểm tra ổn định tổng thể của dầm tổ hợp:
cr
W
M



viết lại
f
.
b
cr



(3.46) hay
c
b
.f
W.
M





Trong đó:
b

- hệ số ổn định tống thể, để xác định
b

cần tính giá trị của hệ số
1

:
f
E
l
h
I
I
2
o
x
y
1












(3.47)

23
Trong đó giá trị của

lấy theo bảng 3.2 và 3.3 phụ thuộc vào đặc điểm tải
trọng và thông số .

- hệ số:
2
0
y
t
h
l
I.E
I.G
4









(3.48)
dầm tổ hợp I:


















3
ff
3
w
2
ff
f0
t.b

t.a
1
b.h
t.l
8

(3.49) với
f
h
5
,
0
a

;
dầm định hình
2
0
y
x
h
l
J
J
.54,1









(3.50)
Giá trị
th
M
phụ thuộc vào hình dạng, đặc trưng hình học của tiết diện dầm, vị
trí tải trọng tác dụng, liên kết dầm với gối tựa, cách bố trí liên kết ngăn cản

24
chuyển vị ngang của cánh nén. Vì vậy dầm có một trong các điều kiện sau thì
không cần kiểm tra ổn định tổng thể:
- có bản sàn BTCT hoặc bản sàn thép đủ cứng liên kết chắc chắn với cánh
nén của dầm;
- khi tỷ số nhịp tính toán với chiều rộng bản cánh nén
f0
b/l
thỏa mãn biểu
thức:
f
E
h
b
t
b
016,073,0
t
b
0032,041,0

b
l
f
f
f
f
f
f
f
0

















(3.51)
nếu
15

b
l
f
0

, dùng
15
b
l
f
0

để tính.
3. Biện pháp tăng cường ổn định tổng thể:
- Tăng
y
W
, bằng cách tăng tiết diện cánh nén.

25
- Giảm
0
l
bằng cách bố trí hệ giằng hay thanh chống trong mặt phẳng cánh
nén.
§6. ỔN ĐỊNH CỤC BỘ
1. Khái niệm:
Cánh và bụng dầm tổ hợp là những bản thép mỏng khi chị
u
ứng suất pháp, ứng suất tiếp, cánh hoặc bụng dầm có thể bị

vênh từng vùng trước khi dầm mất ổn định tống thể: Dầm mấ
t
ổn định cục bộ.
Phần dầm bị cong vênh không tham gia chịu lực được nữ
a
nên dầm mất tính đối xứng, tâm uốn thay đổi. Khi đó, phầ
n
dầm tham gia chịu lực bị thu hẹp → phân bố lại ứng suất, phầ
n
tiết diện còn lại chịu lực lớn hơn → dầm dễ bị mất ổn định tố
ng

Hình 3.20. Mất
ổn định cục bộ