Kết cấu thép thanh thành mỏng tạo hình nguội
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.39 MB, 34 trang )
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
MỤC LỤC:
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÀNH MỎNG TẠO HÌNH
NGUỘI.......................................................................................................................... 3
1.1 Khái niệm kết cấu thép thanh thành mỏng tạo hình nguội :.........................................3
1.2 Phạm vi ứng dụng kết cấu thép thanh thành mỏng :......................................................4
1.3 Ứng dụng kết cấu thép thành mỏng trong và ngoài nước :............................................5
1.3.1 Một số hình ảnh ứng dụng kết cấu thép thành mỏng trong nước :...............................5
1.3.2 Một số hình ảnh ứng dụng kết cấu thép thành mỏng nước ngoài :...............................6
1.4 Các công nghệ chế tạo kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội trong và ngoài
nước :..........................................................................................................................................8
1.4.1 Máy gấp mép :..............................................................................................................8
1.4.2 Máy ép khuôn :.............................................................................................................9
1.4.3 Máy cán trục lăn :.......................................................................................................10
1.5 Công nghệ chống rỉ, chống ăn mòn:...............................................................................11
1.5.1 Biện pháp cấu tạo:.......................................................................................................11
1.5.2 Dùng lớp bảo vệ:.........................................................................................................11
1.5.3 Tạo lớp phủ kim loại:..................................................................................................12
1.5.4 Dùng lớp phủ vật liệu tổng hợp:.................................................................................12
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KIỂM TRA KẾT CẤU THÉP
THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
( SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN AS/NZS 4600)..............................................................12
2.1 Khái niệm chung về kết cấu thép thanh thành mỏng tạo hình nguội :.......................12
2.1.1 Khái niệm :..................................................................................................................12
2.1.2 Đặc điểm :...................................................................................................................13
2.1.3 Ưu và nhược điểm :....................................................................................................13
2.1.4 Phân loại :...................................................................................................................14
2.1.5 Các dạng cấu kiện tạo hình nguội :............................................................................15
2.2 Sự làm việc, trạng thái ứng suất biến dạng :.................................................................17
2.2.1 Cấu kiện thép thành mỏng chịu uốn:..........................................................................17
2.2.2 Cấu kiện thép thành mỏng chịu cắt:............................................................................17
2.2.3 Cấu kiện thành mỏng chịu nén:..................................................................................18
2.2.4 Cấu kiện thép thành mỏng chịu kéo - uốn; nén uốn:..................................................18
2.3 Các công nghệ chế tạo, chống rỉ và ăn mòn kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội
trong và ngoài nước :..............................................................................................................18
2.3.1 Công nghệ chế tạo :....................................................................................................18
2.3.2 Công nghệ chống rỉ, chống ăn mòn:...........................................................................21
2.4 Cơ sở tính toán đặc trưng hình học, đặc trưng cơ học vật liệu :................................22
2.4.1 Tính toán đặc trưng tiết diện thép thành mỏng:..........................................................22
2.4.2 Tính toán đặc trưng hình học quạt của tiết diện thép thành mỏng hở:.......................23
Trang 1
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
2.5 Ví dụ tính toán áp dụng :................................................................................................23
2.5.1 Đặc trưng hình học.....................................................................................................24
2.5.2 Đặc trưng cơ học vật liệu............................................................................................25
2.5.3 Ví dụ áp dụng : ...........................................................................................................26
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN........................................................................................33
Trang 2
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÀNH MỎNG
TẠO HÌNH NGUỘI
1.1 Khái niệm kết cấu thép thanh thành mỏng tạo hình nguội :
-
Kết cấu thép thành mỏng thường được chế tạo từ thép tấm mỏng tạo hình
nguội.
-
Kết cấu thanh thành mỏng là một dạng thanh, tức là có kích thước một phương
lớn hơn rất nhiều so với 2 phương còn lại.
Hình 1- 1: Kết cấu một thanh thành mỏng
-
Ở hình 1 biểu diễn một thanh thành mỏng, thanh này có bề dày δ rất bé so với
chu tuyến S (đường trung bình của mặt cắt ngang) và S này lại rất bé so với
chiều dài l của thanh. Loại kết cấu thanh thành mỏng này có ưu việt ở chỗ là
trọng lương nhỏ nhưng chịu lực lớn cho nên nó được sử dụng trong kết cấu máy
bay, tàu thuỷ, ô tô, tàu hoả, một số công trình xây dựng và cầu...
-
Kết cấu thép thanh thành mỏng sử dụng các hình thức tiết diện đặc biệt được
chuẩn hóa theo hình dạng, môđun nhất định thuận tiện cho vận chuyển, lưu
kho, lắp dựng, sử dụng các phương pháp liên kết khác với kết cấu thép thông
thường
Trang 3
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
Hình 1-2: Một số hình dạng của kết cấu thép thanh thành mỏng
1.2 Phạm vi ứng dụng kết cấu thép thanh thành mỏng :
-
Thép thành mỏng được ứng dụng rộng rãi trên thực tế, nhưng chủ yếu sử dụng
trong 02 lĩnh vực sau:
+ Ứng dụng trong các chi tiết và bộ phận kiến trúc: Cửa thông dụng, vách ngăn
nhẹ, tường bao che, cửa trời, các chi tiết kiến trúc tạo dáng...
+ Ứng dụng trong các kết cấu chịu lực: Các kết cấu chịu lực chính như dàn,
dầm, sàn.. và các kết cấu chịu lực thứ yếu như xà gồ mái, dầm tường...
-
Việc sử dụng thép thành mỏng sẽ giảm nhẹ trọng lượng kết cấu, tiết kiệm vật
liệu nhưng để đảm bảo điều kiện tiết kiệm kinh phí xây dựng cần phải đảm bảo
các yếu tố chính như sau:
+ Thanh thành mỏng phải được thực hiện với số lượng lớn cho cùng chủng loại
tiết diện và được sử dụng lặp đi lặp lại cho nhiều kết cấu.
+ Giá thành chế tạo cao nên phải thực hiện bằng dây chuyền, thiết bị hiện đại
mang tính cơ giới và tự động cao.
+ Kết cấu thép nhẹ được lắp đặt nhanh và dễ dàng nhưng để tiết kiệm kinh phí
chế tạo cần được mođul hóa cho từng thanh. Do đó yêu cầu nhân công lắp đặt
phải chuyên nghiệp trong lĩnh vực lắp đặt.
* Ưu điểm của thép thành mỏng:
-
Giảm trọng lượng (25-50)% nên tiết kiệm được vật liệu.
-
Lắp dựng nhanh do cơ giới hóa, đặc biệt đối với dàn mái không gian khi thiết
kế các nút được thống nhất hóa.
-
Hình dạng tiết diện đa dạng nên dễ dàng áp dụng cho các chi tiết kiến trúc, đáp
ứng yêu cầu khi chọn giải pháp kết cấu.
Trang 4
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
-
Việc tiêu chuẩn hóa cấu kiện dễ dàng nên rất thuận lợi cho việc vận chuyển, lưu
kho...
-
Hình dạng tiết diện có nhiều ưu việt về mặt chịu lực do sự phân bố vật liệu hợp
lý, đặc biệt khi sử dụng các dạng có tiết diện kín, đối xứng.
-
Cường độ thép cao hơn nhờ cán nguội.
-
Sử dụng tiết diện kín tạo vẽ đẹp kết cấu, giảm che lấp diện tích kính lấy sáng.
* Nhược điểm của thép thành mỏng:
-
Giá thành chế tạo cho một đơn vị thép thành mỏng cao hơn do phải dùng thép
tấm cán nóng rồi mới gia công uốn nguội.
-
Bề mặt tiếp xúc lớn nên chi phí bảo vệ bề mặt (chống gỉ) cao.
-
Yêu cầu công nghệ cao khi chế tạo.
-
Việc vận chuyển, bốc xếp, lắp dựng tuy nhanh nhưng cần yêu cầu biện pháp và
thiết bị riêng vì cấu kiện dễ bị hư hại, biến hình.
-
Việc thiết kế khó khăn hơn vì sự làm việc phức tạp của cấu kiện. Tiết diện cấu
kiện được chọn tự do nên không có bảng tính sẵn.
-
Hạn chế sử dụng trong môi trường không khí và nước biển.
-
Việc tiêu chuẩn hoá cao sẽ dẫn đến làm tăng lượng thép, vì có những trường
hợp vật liệu chưa làm việc hết khả năng, nhưng không có nghĩa là bất lợi về
kinh tế.
1.3 Ứng dụng kết cấu thép thành mỏng trong và ngoài nước :
1.3.1 Một số hình ảnh ứng dụng kết cấu thép thành mỏng trong nước :
Trang 5
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
Hình 1-3: Lắp ráp các kết cấu tại nhà máy lắp ráp ô tô TCIE Đà Nẵng
1.3.2 Một số hình ảnh ứng dụng kết cấu thép thành mỏng nước ngoài :
Hình 1-4: Khung nhà công nghiệp một tầng bằng thép thành mỏng tạo hình nguội
Trang 6
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
Hình 1- 5: Khung nhà nhiều tầng bằng thép thành mỏng tạo hình nguội
Trang 7
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
Hình 1- 6: Khung nhà dân dụng một tầng bằng thép thành mỏng tạo hình nguội
1.4 Các công nghệ chế tạo kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội trong và
ngoài nước :
-
Dùng phương pháp gia công nguội, có thể làm được cấu kiện thành mỏng mà
không thể dùng phương pháp cán nóng ; cấu kiện này có bề mặt nhẵn, có thể
quét ngay sơn bảo vệ lên ; cường độ thép được tăng lên. Các phương pháp : gấp
bằng máy gấp mép ; dập khuôn bằng máy ép và cán liên tục.
1.4.1 Máy gấp mép :
-
Thân máy gồm hai thớt, thớt dưới gắn thước tạo hình bên dưới, thớt trên cố
định gắn thước tạo hình bên trên và kẹp chặt bản thép. Thớt dưới đi lên, gấp
mép và tạo góc cho bản thép. Thay đổi thước tạo hình thì tạo được các hình
dạng khác nhau. Phải nhiều động tác mới tạo được hình hoàn chỉnh, ví dụ, hình
máng sau đây cần 6 động tác.
Trang 8
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
Hình 1- 7: Máy gập mép
1-Dầm gấp đặt dưới ; 2- Vít chỉnh thước gấp ;3-Đối trọng; 4-Dầm tạo hình; 5-Bánh xe di
chuyển dầm để ép bản thép; 6-Thước tạo hình dưới; 7-Thước tạo hình trên; 8-Dầm ép;
9-Bản thép; 10-Bệ chặn.
-
Cách chế tạo này có nhược điểm sau :
+ Năng suất thấp, nhiều thao tác ;
+ Độ chính xác kém ;
+ Chỉ gập được bản thép dày không quá 3mm, chiều dài không quá 6 m.
-
Đồng thời giá thiết bị rẻ, dễ có. Có thể đạt được nhiều hình dạng bằng việc thay
đổi dễ dàng thước tạo hình. Công nghệ này thích hợp với việc sản xuất theo quy
mô nhỏ, nhiều loại hình khác nhau.
1.4.2 Máy ép khuôn :
-
Máy dùng cho dây chuyền sản xuất hàng loạt nhỏ. Máy gồm có thân máy, bàn
máy, dầm ép. Khuôn cối tạo hình đặt trên bàn máy. Dầm ép ở bên trên đi
xuống, có gắn chày tạo hình. Lực ép từ 40 đến 150 tấn, ép trên toàn bộ chiều
dài thanh (Hình 9.13).
Trang 9
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
-
Phương pháp này có thể tạo được thanh dài tới 6 m, rộng 250 - 500mm, dày tới
16 mm. Bằng cách di chuyển dải thép theo chiều dài, có thể làm được thanh dài
tới 12 m, tất nhiên với các sai lệch về kích thước tiết diện, về độ phẳng của mặt.
Để tạo được một tiết diện, cũng phải nhiều nguyên công : mỗi lần ép chỉ tạo
được một góc. Do đó năng suất thấp, khó cơ giới hoá toàn bộ.
-
Ưu điểm của phương pháp : thay thế các khuôn tạo hình giá rẻ, có thể tạo được
nhiều hình dạng. Có lợi khi sản xuất hàng loạt nhỏ, đặc biệt hay được dùng để
chế tạo các cấu kiện không điển hình.
Hình 1-8: Máy ép khuôn
1.4.3 Máy cán trục lăn :
-
Đây là loại máy năng suất cao nhất, dùng ở các nhà máy luyện kim, nhà máy
sản xuất hàng loạt lớn. Máy gồm một dãy các trục cán, có hình dạng khác nhau
(hình 9.14). Dải thép đi qua các trục cán, dần dần được thay đổi hình dạng . Có
thể cán được dải thép dày 0,3 đến 18 mm, rộng 20 đến 2000 mm. Tốc độ cán 10
đến 30 m/phút.
-
Loại máy có năng suất cao, sử dụng ít nhân công, mỗi năm có thể sản xuất hàng
triệu mét cấu kiện. Tuy nhiên mỗi bộ trục cán chỉ dùng cho một loại tiết diện ,
muốn đổi tiết diện phải thay đổi trục cán, do đó giá thành cao. Hiện nay ở Việt
Nam , bên cạnh các máy cán lớn của các công ty nước ngoài, nhiều công ty nhỏ
trong nước cũng đã có nhiều máy cán, sản xuất hàn loạt tiết diện thành mỏng,
ống có mối hàn để sử dụng trong xây dựng.
Trang 10
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
Hình 1-9: Máy cán trục lăn
1.5 Công nghệ chống rỉ, chống ăn mòn:
1.5.1 Biện pháp cấu tạo:
-
Lựa chọn dạng tiết diện chống ăn mòn cao: Cao nhất là thiết diện ống, gấp 2 lần
so với tiết diện thép góc. Dầm tiết diện hộp chống ăn mòn tốt hơn dầm I. Tiết
diện bụng đặc chống ăn mòn tốt hơn tiết diện rỗng.
-
Áp dụng nguyên tắc tập trung vật liệu: Tăng bước kết cấu lên dể làm tiết diện
kết cấu lớn hơn, thành dày hơn để chống ăn mòn tốt hơn, giảm bớt lượng sơn
bảo vệ.
-
Chọn vật liệu chống rỉ cao như thép hợp kim thấp.
-
Tìm các giải pháp cấu tạo để cấu kiện không tích bụi, tích ẩm ví dụ đặt nghiêng
dốc, tạo các lỗ thoát nước.
-
Chú ý tránh để kết cấu thép thành mỏng tiếp xúc với vật liệu xây dựng có chứa
thạch cao, clorua magie, xỉ than…vì sẽ bị ăn mòn nhanh.
1.5.2 Dùng lớp bảo vệ:
-
Sơn: lớp bảo vệ rẻ nhất dễ áp dụng. Kĩ thuật dùng sơn cho kết cấu thành mỏng
không khác gì so với kết cấu thép thường, gồm các việc:
+ Làm sạch bề mặt kết cấu cho hết vết gỉ, oxit, dầu mở bằng bàn chải sắt, búa
hơi, phun cát, ngọn lửa hàn.
+ Sơn lót bằng hỗn hợp minimum 60% và oxit sắt 40%, việc quan trọng nhất để
chống rỉ.
+ Sơn bảo vệ cho sơn lót và tạo màu.
Trang 11
TIỂU LUẬN
-
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
Đối với cấu kiện mà không thể sơn lại được sau khi lắp thì phải dùng phương
pháp bảo vệ cao hơn: mạ hoặc sơn lót hai lần và sơn mặt hai lần.
1.5.3 Tạo lớp phủ kim loại:
-
Tốt nhất là mạ kẽm, tuy nhiên khó thực hiện được cấu kiện lớn thường sử dụng
biện pháp thuận tiện hơn là phun lớp kẽm phủ.
Các kết cấu thành mỏng hiện đại phần lớn sử dụng biện pháp mạ.
1.5.4 Dùng lớp phủ vật liệu tổng hợp:
-
-
Bằng cách phun quét lên thép vật liệu nhiệt dẻo lỏng, hoặc dán lên những băng
dính. Bề dày lớp vỏ từ 0,02 đến 0,4mm; bên trên còn lớp sơn để bảo vệ khi vận
chuyển dựng lắp.
Việc phủ thực hiện trên tấm thép rộng, sau đó cắt ra thành băng hẹp để mang
uốn nguội. Mép của các băng cũng cần được bảo vệ thêm bằng sơn.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KIỂM TRA KẾT
CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
( SỬ DỤNG TIÊU CHUẨN AS/NZS 4600)
2.1 Khái niệm chung về kết cấu thép thanh thành mỏng tạo hình nguội :
2.1.1 Khái niệm :
-
Kết cấu thép nhẹ bao gồm các hệ thống kết cấu thép xây dựng có trọng lượng
Trang 12
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
nhẹ hơn kết cấu thép thông dụng. Nó được tạo nên nhờ chế tạo từ thép tấm
mỏng tạo hình nguội gọi là kết cấu thép thanh thành mỏng hay kết cấu thép uốn
nguội.
2.1.2 Đặc điểm :
- Kết cấu thép nhẹ khác biệt với kết cấu thép thông dụng ở những điểm cơ
bản sau :
+ Sử dụng các thanh thép tạo hình nguội từ các tấm thép rất mỏng (tới
1 mm trở lên) ;
+ Sử dụng các loại tiết diện không có trong kết cấu thông thường như
tiết diện kín, tiết diện vuông, tiết diện tròn ;
+ Sử dụng các phương pháp liên kết không dùng trong kết cấu thường.
- Đặc điểm quan trọng nhất là sử dụng các thanh thép tạo hình nguội từ các
tấm thép mỏng, sau này ta sẽ gọi là thanh thành mỏng hoặc thép hình uốn
nguội. Bên cạnh các loại thép hình cán nóng thông thường, hiện nay các
nước đã chế tạo rộng rãi thép hình uốn nguội. Việc sử dụng thanh thành
mỏng tạo ra một cách tiếp cận khác của kết cấu thép trong mọi giai đoạn
xây dựng : thiết kế, chế tạo, dựng lắp.
2.1.3 Ưu và nhược điểm :
- So với kết cấu thép thông thường, kết cấu bằng thanh thành mỏng có một
loạt các ưu và khuyết điểm sau :
a) Ưu điểm :
- Giảm lượng thép từ 25 - 50% ; về lí thuyết có thể giảm nhiều hơn nữa
nhưng sẽ kèm theo khó khăn tốn kém về chế tạo, và không còn kinh tế
nữa ;
- Dựng lắp nhanh, ví dụ tới 30% đối với mái nhà ; đối với cấu kiện có các
thanh và nút thống nhất hoá như dàn mái không gian thì còn nhanh hơn
nhiều nữa ;
- Hình dạng tiết diện được chọn tự do, đa dạng theo yêu cầu ;
- Đặc trựng chịu lực của tiết diện là có lợi, do sự phân bố vật liệu hợp lí,
nhất là khi dùng tiết diện kín ;
- Dùng tiết diện kín tạo vẻ đẹp kết cấu; bớt che lấp diện tích kính lấy ánh
sáng.
b) Nhược điểm :
- Giá thành thép uốn nguội cao hơn thép cán nóng ;
- Chi phí phòng gỉ cao hơn, vì bề mặt của tiết diện thép lớn hơn, cần nhiều
diện tích phủ bảo vệ.
Trang 13
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
- Việc vận chuyển, bốc xếp dựng lắp tuy nhanh chóng nhưng đòi hỏi những
biện pháp và phương tiện riêng vì cấu kiện dễ bị hư hại ;
- Việc thiết kế khó khăn hơn vì sự làm việc phức tạp của cấu kiện. Tiết diện
cấu kiện được chọn tự do nên không có bảng tính toán sẵn.
- Sử dụng thanh thành mỏng đương nhiên giảm nhẹ trọng lượng kết cấu,
tiết kiệm vật liệu nhưng không hẳn có nghĩa là kinh tế hơn. Tiết diện
thanh thép uốn nguội đắt hơn thép cán nhiều (có thể tới 30%) vì phải dùng
thép tấm mỏng cán nóng và gia công uốn nguội.
- Các hãng sản xuất thanh thành mỏng hiện nay đều cố gắng tiêu chuẩn hoá
và điển hình hoá cao độ các loại tiết diện. Một tiết diện thành mỏng có thể
được áp dụng cho nhiều loại nhà có công dụng khác nhau và sơ đồ kết cấu
khác nhau. Tất nhiên là tiêu chuẩn hoá cao sẽ dẫn đến làm tăng lượng
thép, vì có những trường hợp vật liệu chưa làm việc hết khả năng, nhưng
không có nghĩa là bất lợi về kinh tế. Việc tiêu chuẩn hoá các cấu kiện nhẹ
sẽ cho phép : giảm sự đa dạng của tiết diện, nên tăng số lượng sản xuất
hàng loạt ; nghiên cứu những nút liên kết thống nhất, giảm công chế tạo
và dựng lắp.
2.1.4 Phân loại :
-
Phạm vi ứng dụng của có lợi của kết cấu thanh thành mỏng phụ thuộc vào các
điều kiện cấu tạo (chế tạo, phòng gỉ v.v...), điều kiện chịu lực (tải trọng, tính
năng vật liệu v.v...), các chỉ tiêu kinh tế, điều kiện sử dụng và yêu cầu thẩm mĩ.
-
Phân biệt hai phạm vi sử dụng chính của thanh thành mỏng:
• Nhóm 1: Các chi tiết và bộ phận kiến trúc
• Nhóm 2: Các bộ phận kết cấu chịu lực
-
Nhóm 1 gồm các bộ phận và chi tiết như: khuôn của và cánh cửa các loại, cổng,
các cấu kiện của tường bao che, vác ngăn di động, cầu thang, cửa trời, và các
kết cấu tương tự. Các cấu kiện nhóm này thường được áp dụng trong các loại
nhà dân dụng, nhà kho, nhà xưởng, chuồng trại, nhà triển lãm, các công trình
tháo lắp v.v...
Trang 14
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
Hình 2-10: Các bộ phận chi tiết cửa dùng thép thanh thành mỏng
-
Nhóm 2 gồm các kết cấu chịu lực hoàn toàn bằng thanh thành mỏng, hoặc
thanh thành mỏng kết hợp với vật liệu khác như thép cán nóng, bê tông, gỗ, kết
cấu thanh thành mỏng được áp dụng trong các loại dàn mái nhà, dầm sàn nhà,
các cấu kiện thứ yếu làm kết cấu bao che như xà gồ, dầm tường, xà gồ rỗng
nhịp tới 12m, khung nhà dân dụng và công nghiệp, dàn mái không gian, vỏ
mỏng.
2.1.5 Các dạng cấu kiện tạo hình nguội :
Bằng cách gập nguội, có thể tạo từ tấm thép mỏng tiết diện hình bất kì. Tiết diện được
chia ra loại hở như chữ C, chữ L, chữ U và loại kín như ống, hộp. Hàn các tiết diện
đơn với nhau có thể tạo nên tiết diện phức hợp. Bề dày của thành tiết diện là không
đổi, trừ một số chỗ có thể là bề dày gấp đôi do gập bản thép lại. Cấu kiện dạng thanh
dùng làm kết cấu chịu lực chính như cột, khung hoặc cấu kiện phụ như xà gồ, dầm
tường. Cấu kiện dạng tấm dùng để làm panen mái hay tường. Kích thước các tiết diện
uốn nguội được tiêu chuẩn hoá tại một số nước sử dụng nhiều.
Trang 15
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
Hình 2- 11: Các loại tiết diện uốn nguội
Xà gồ, dầm tường thường có tiết diện chữ C hoặc chữ Z. Tiết diện chữ Z thuận tiện
cho việc xếp để chuyên chở . Tiết diện chữ Z cũng dễ lồng lên nhau để tăng thành tiết
diện kép chịu được mômen lớn tại gối tựa của dầm liên tục (hình 9.5). Cấu kiện thành
mỏng tạo hình nguội là loại cấu kiện đặc biệt, việc tính toán hết sức phức tạp. Khi một
cấu kiện thành mỏng chịu uốn hay xoắn, thường xuất hiện những ứng suất và biến
dạng gây nên sự vênh của tiết diện, do một đại lượng lực tên là bimômen (Hình
9.10,a). Ngoài ra, do thành mỏng, cấu kiện rất dễ mất ổn định cục bộ tại cánh và bụng ;
một số bộ phận của cánh và bụng không làm việc, không được xét trong tính toán,
phần còn chịu lực được gọi là tiết diện hữu hiệu và nhiệm vụ tính toán là xác định tiết
diện hữu hiệu này (hình 9.10,b). Nước ta chưa có quy phạm tính toán thanh thành
mỏng, và thực tế rất ít kết cấu thành mỏng đã được tự thiết kế trong nước.
Hình 2-12: sự làm việc của cấu kiện thành mỏng
a)Tiết diên bị vênh do bi mômen; b) Tiết diện hữu hiệu ;1-Dầm; 2-Cột
Cấu kiện thành mỏng cũng có thể dùng để làm kết cấu chính của nhà có nhịp đến 20m,
số tầng 2 đến 3 tầng. Hình 9.11 thể hiện một nhà xưởng làm hoàn toàn bằng cấu kiện
thành mỏng tạo hình nguội đang được dựng lắp ơ Việt Nam .
Trang 16
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
Hình 2-13: Nhà xưởng làm hoàn toàn bằng thép thanh thành mỏng tạo hình nguội
2.2 Sự làm việc, trạng thái ứng suất biến dạng :
2.2.1 Cấu kiện thép thành mỏng chịu uốn:
-
Cấu kiện thành mỏng chịu uốn (dầm) có các loại tiết diện: chữ C, chữ Z, chữ I
do hai chữ C ghép lại, tiết diện chữa môn, tiết diện hộp. Đối với một cấu kiện
thành mỏng chịu uốn, cần kiểm tra các điều kiện sau:
+ Độ bền (sự chảy của thớ ứng suất lớn nhất của tiết diện);
+ Độ cứng (độ võng lớn nhất của cấu kiện);
+ Sự mất ổn định của dầm khi bị uốn xoắn theo phương bên (còn gọi là sự oằn
bên);
+ Sự mất ổn định của một đoạn dầm khi bị vặn (gọi là sự oằn vặn);
+ Bụng dầm chịu cắt hoặc cắt và uốn kết hợp;
+ Các tình toán khác về liên kết và cấu tạo.
2.2.2 Cấu kiện thép thành mỏng chịu cắt:
-
Cấu kiện nói chung hoặc là dầm chịu được lực cắt là nhờ bản bụng đặt trong
mặt phẳng lực cắt. Tính toán cấu kiện chịu lực cắt thực chất là tính toán bản
bụng. Cường độ của bản bụng phụ thuộc vào các điều kiện sau đây:
+ Bụng bị đạt giới hạn chảy do cắt, hoặc bị mất ổn định (oằn) hoặc do cả hai;
+ Bụng chịu uốn trong mặt phẳng và bị mất ổn định cục bộ trong vùng nén;
+ Bụng chịu lực tập trung tại điểm đặt tải hoặc tại gối tựa và chịu sự ép dập.
Trong cả ba trường hợp trên nếu có môment uốn đồng thời với lực cắt hoặc với tải
trọng tập trung thì cường độ của bụng còn bị giảm nhiều hơn.
Trang 17
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
2.2.3 Cấu kiện thành mỏng chịu nén:
-
Cấu kiện thành mỏng chịu nén (cột) có các loại tiết diện: đơn hở (thép góc, chữ
C, chữ Z), tổ hợp (chữ I do hai chữ C ghép lại), tiết diện chữ môn, tiết diện kín
(ống, hộp). Đối với một cấu kiện thành mỏng chịu nén, các trạng thái giới hạn
cần kiểm tra gồm:
+ Độ bền (sự chảy của thớ nén của tiết diện);
+ Sự mất ổn định của cột khi bị uốn dọc;
+ Sự mất ổn định của cột khi bị xoắn quanh tâm uốn;
+ Sự mất ổn định của cột khi uốn và xoắn đồng thời;
+ Sự mất ổn định cục bộ của các phần tử của tiết diện cột.
2.2.4 Cấu kiện thép thành mỏng chịu kéo - uốn; nén uốn:
-
Các cấu kiện vừa chịu uốn và vừa chịu lực dọc trục kéo hoặc nén, thường gọi là
cấu kiện kéo uốn và cấu kiện nén uốn. Môment uốn có thể do môment tập
trung, tải trọng ngang hoặc lực dọc đặt lệch tâm.
-
Khi độ lệch tâm bằng không, ta có cấu kiện chịu kéo đúng tâm hoặc chịu nén
đúng tâm.
-
Điểm đặc biệt đối với cấu kiện chịu kết hợp uốn và nén là có môment thứ cấp
phát sinh do có lực nén tác dụng với độ võng gây ra bởi môment ban đầu đã
được tăng lên bằng hệ số tăng môment. Hệ số này càng lớn khi lực nén càng
lớn. Đối với cấu kiện nén thì ngược lại, lực kéo làm giảm ứng suất nén trong
cấu kiện, cho nên nếu tăng lực kéo trong tính toán lên quá mức có thể làm cấu
kiện thiên về không an toàn.
2.3 Các công nghệ chế tạo, chống rỉ và ăn mòn kết cấu thép thành mỏng
tạo hình nguội trong và ngoài nước :
2.3.1 Công nghệ chế tạo :
-
Dùng phương pháp gia công nguội, có thể làm được cấu kiện thành mỏng mà
không thể dùng phương pháp cán nóng ; cấu kiện này có bề mặt nhẵn, có thể
quét ngay sơn bảo vệ lên ; cường độ thép được tăng lên. Các phương pháp : gấp
bằng máy gấp mép ; dập khuôn bằng máy ép và cán liên tục.
a) Máy gấp mép :
-
Thân máy gồm hai thớt, thớt dưới gắn thước tạo hình bên dưới, thớt trên cố
định gắn thước tạo hình bên trên và kẹp chặt bản thép. Thớt dưới đi lên, gấp
mép và tạo góc cho bản thép. Thay đổi thước tạo hình thì tạo được các hình
dạng khác nhau. Phải nhiều động tác mới tạo được hình hoàn chỉnh, ví dụ, hình
máng sau đây cần 6 động tác.
Trang 18
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
Hình 2- 14: Máy gập mép
1-Dầm gấp đặt dưới ; 2- Vít chỉnh thước gấp ;3-Đối trọng; 4-Dầm tạo hình; 5-Bánh xe di
chuyển dầm để ép bản thép; 6-Thước tạo hình dưới; 7-Thước tạo hình trên; 8-Dầm ép;
9-Bản thép; 10-Bệ chặn.
-
Cách chế tạo này có nhược điểm sau :
+ Năng suất thấp, nhiều thao tác ;
+ Độ chính xác kém ;
+ Chỉ gập được bản thép dày không quá 3mm, chiều dài không quá 6 m.
-
Đồng thời giá thiết bị rẻ, dễ có. Có thể đạt được nhiều hình dạng bằng việc thay
đổi dễ dàng thước tạo hình. Công nghệ này thích hợp với việc sản xuất theo quy
mô nhỏ, nhiều loại hình khác nhau.
b) Máy ép khuôn :
-
Máy dùng cho dây chuyền sản xuất hàng loạt nhỏ. Máy gồm có thân máy, bàn
máy, dầm ép. Khuôn cối tạo hình đặt trên bàn máy. Dầm ép ở bên trên đi
xuống, có gắn chày tạo hình. Lực ép từ 40 đến 150 tấn, ép trên toàn bộ chiều
dài thanh (Hình 9.13).
Trang 19
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
-
Phương pháp này có thể tạo được thanh dài tới 6 m, rộng 250 - 500mm, dày tới
16 mm. Bằng cách di chuyển dải thép theo chiều dài, có thể làm được thanh dài
tới 12 m, tất nhiên với các sai lệch về kích thước tiết diện, về độ phẳng của mặt.
Để tạo được một tiết diện, cũng phải nhiều nguyên công : mỗi lần ép chỉ tạo
được một góc. Do đó năng suất thấp, khó cơ giới hoá toàn bộ.
-
Ưu điểm của phương pháp : thay thế các khuôn tạo hình giá rẻ, có thể tạo được
nhiều hình dạng. Có lợi khi sản xuất hàng loạt nhỏ, đặc biệt hay được dùng để
chế tạo các cấu kiện không điển hình.
Hình 2-15: Máy ép khuôn
c) Máy cán trục lăn :
-
Đây là loại máy năng suất cao nhất, dùng ở các nhà máy luyện kim, nhà máy
sản xuất hàng loạt lớn. Máy gồm một dãy các trục cán, có hình dạng khác nhau
(hình 9.14). Dải thép đi qua các trục cán, dần dần được thay đổi hình dạng . Có
thể cán được dải thép dày 0,3 đến 18 mm, rộng 20 đến 2000 mm. Tốc độ cán 10
đến 30 m/phút.
-
Loại máy có năng suất cao, sử dụng ít nhân công, mỗi năm có thể sản xuất hàng
triệu mét cấu kiện. Tuy nhiên mỗi bộ trục cán chỉ dùng cho một loại tiết diện ,
muốn đổi tiết diện phải thay đổi trục cán, do đó giá thành cao. Hiện nay ở Việt
Nam , bên cạnh các máy cán lớn của các công ty nước ngoài, nhiều công ty nhỏ
trong nước cũng đã có nhiều máy cán, sản xuất hàn loạt tiết diện thành mỏng,
ống có mối hàn để sử dụng trong xây dựng.
Trang 20
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
Hình 2-16: Máy cán trục lăn
2.3.2 Công nghệ chống rỉ, chống ăn mòn:
a) Biện pháp cấu tạo:
-
Lựa chọn dạng tiết diện chống ăn mòn cao: Cao nhất là thiết diện ống, gấp 2 lần
so với tiết diện thép góc. Dầm tiết diện hộp chống ăn mòn tốt hơn dầm I. Tiết
diện bụng đặc chống ăn mòn tốt hơn tiết diện rỗng.
-
Áp dụng nguyên tắc tập trung vật liệu: Tăng bước kết cấu lên dể làm tiết diện
kết cấu lớn hơn, thành dày hơn để chống ăn mòn tốt hơn, giảm bớt lượng sơn
bảo vệ.
-
Chọn vật liệu chống rỉ cao như thép hợp kim thấp.
-
Tìm các giải pháp cấu tạo để cấu kiện không tích bụi, tích ẩm ví dụ đặt nghiêng
dốc, tạo các lỗ thoát nước.
-
Chú ý tránh để kết cấu thép thành mỏng tiếp xúc với vật liệu xây dựng có chứa
thạch cao, clorua magie, xỉ than…vì sẽ bị ăn mòn nhanh.
b) Dùng lớp bảo vệ:
-
Sơn: lớp bảo vệ rẻ nhất dễ áp dụng. Kĩ thuật dùng sơn cho kết cấu thành mỏng
không khác gì so với kết cấu thép thường, gồm các việc:
+ Làm sạch bề mặt kết cấu cho hết vết gỉ, oxit, dầu mở bằng bàn chải sắt, búa
hơi, phun cát, ngọn lửa hàn.
+ Sơn lót bằng hỗn hợp minimum 60% và oxit sắt 40%, việc quan trọng nhất để
chống rỉ.
+ Sơn bảo vệ cho sơn lót và tạo màu.
Trang 21
TIỂU LUẬN
-
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
Đối với cấu kiện mà không thể sơn lại được sau khi lắp thì phải dùng phương
pháp bảo vệ cao hơn: mạ hoặc sơn lót hai lần và sơn mặt hai lần.
c) Tạo lớp phủ kim loại:
-
Tốt nhất là mạ kẽm, tuy nhiên khó thực hiện được cấu kiện lớn thường sử dụng
biện pháp thuận tiện hơn là phun lớp kẽm phủ.
Các kết cấu thành mỏng hiện đại phần lớn sử dụng biện pháp mạ.
d) Dùng lớp phủ vật liệu tổng hợp:
-
-
Bằng cách phun quét lên thép vật liệu nhiệt dẻo lỏng, hoặc dán lên những băng
dính. Bề dày lớp vỏ từ 0,02 đến 0,4mm; bên trên còn lớp sơn để bảo vệ khi vận
chuyển dựng lắp.
Việc phủ thực hiện trên tấm thép rộng, sau đó cắt ra thành băng hẹp để mang
uốn nguội. Mép của các băng cũng cần được bảo vệ thêm bằng sơn.
2.4 Cơ sở tính toán đặc trưng hình học, đặc trưng cơ học vật liệu :
2.4.1 Tính toán đặc trưng tiết diện thép thành mỏng:
-
Phần tử: là một bộ phận của tiết diện hoặc của cấu kiện như: bụng, cánh, mép,
góc…
-
Phần tử phẳng: Là một phần tử nằm trong mặt phẳng, không có uốn, không có
mép. Ví dụ phần bụng nằm giữa hai góc tiếp giáp với cánh là phần tử phẳng.
-
Góc uốn: Có hình cung tròn, tỉ lệ bán kính trong / bề dày ri / t ≤ 8.
-
Phần tử cong: Phần tử cong hình cung tròn hay parabol có tỉ lệ bán kính trong
trên bề dày ri / t > 8.
-
Phần tử nén được tăng cứng: Phần tử phẳng có hai cạnh song song với chiều nội
lực được tăng cứng bằng sườn hay bằng phần tử khác. Ví dụ bản bụng được
tăng cứng ở hai cạnh trên dưới bằng hai bản cánh
-
Phần tử nén không được tăng cứng: Phần tử phẳng chỉ có một canh song song
với chiều nội lực là được tăng cứng bằng sườn hay bằng phần tử khác. Ví dụ
bản cánh của tiết diện chữ C.
-
Phần tử nén được tăng cứng nhiều lần: Phần tử nén ở giữa hai bản bụng hoặc
giữa bản bụng và một mép cứng và được tăng cứng bằng các sườn trung gian
song song với chiều nội lực. Mỗi phần tử phẳng nằm giữa các sườn được gọi là
phần tử con.
-
Sườn:
+ Sườn biên: phần tử được tạo hình tại mép của phần tử phẳng
+ Sườn trung gian: phần tử được tạo hình giữa các mép của phần tử nén được
tăng cứng nhiều lần.
+ Bề dày: Bề dày của tấm kim loại gốc, không kể lớp phủ bảo vệ. Khi cán
nguội, bề dày thực tế sẽ có giảm đi 1-2% nhưng sẽ bỏ qua không xét trong tính
toán
Trang 22
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
+ Bề rộng hiệu dụng: Khi tỉ số bề rộng phẳng và bề dày b/t của phần tử nén quá
lớn, một bộ phận bản bị mất ổn định. Bản phẳng khi đó được tính chuyển về
bản có bề rộng be gọi là bề rộng hữu hiệu. Bề rộng này coi như không bị mất ổn
định, có thể chịu ứng suất nén đạt giới hạn chảy. Trong tính toán các đặc trưng
hình học của tiết diện, sẽ chỉ dùng bề rộng này mà không dùng bề rộng thực b.
2.4.2 Tính toán đặc trưng hình học quạt của tiết diện thép thành mỏng hở:
-
Định nghĩa đặc trưng hình học quạt, đó là các đặc trưng cho sự chống lại vênh
khi xoắn uốn:
+ Gọi mômen tĩnh quạt là biểu thức sau:
S ω = ∫∫ωdF
F
(cm4)
+ Gọi mômen quán tính ly tâm quạt là:
Jω
= ∫∫ωydF (cm5)
Jω
= ∫∫ωxdF (cm5)
x
y
F
F
+ Gọi mômen tĩnh quạt là:
J ω = ∫∫ω dF
2
F
(cm6)
-
Với F là diện tích của mặt cắt ngang; x, y là toạ độ của điểm K nào đó trên mặt
cắt ngang và ω là toạ độ quạt tương ứng của điểm K đó đối với cực P đã chọn .
-
Trong trường hợp bề dày δ không đổi thì các biểu thức tích phân trên có dạng
như sau:
S ω =δ ∫ωdS
S
x
=δ ∫ωydS
Jω
=δ ∫ωxdx
Jω
y
S
S
J ω =δ ∫ω dS
2
S
-
Nếu các đường chu tuyến có các đặc trưng của quạt những đoạn thẳng thì các
tích phân có thể xác dịnh bằng phương pháp nhân biểu đồ VêrêSaghin như tính
chuyển vị.
2.5 Ví dụ tính toán áp dụng :
Trang 23
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
2.5.1 Đặc trưng hình học
a) Đối với tiết diện chữ C:
20
6
200
x
x
186
2
13
y
70
y
6
56
6
Bề rộng phẳng của cánh: b = 70 – 2(5+2) = 56 mm;
Bề rộng phẳng của bụng: h = 200 – 2(5+2) = 186 mm;
Diện tích 562,45 mm2
Góc cong: L = 1,57R = 1,57.6 = 9,42 mm
c = 0,637R = 0,637.6 = 3,8 mm
I1 = 0,149 R3 = 32,18 mm3
Momen quán tính của tiết diện đối với trục x
Hai cánh: 2x56x(198/2)2 = 1097712 mm3
Bụng :1863/12= 536238 mm3
4 góc: 4x(9,42x932+32,18)=326023,04 mm3
Phần cánh mút : 13x179,52+132/12=418877.33 mm3
Momen quán tính thực của tiếtdiện:
2x(1097712+536238+326023,04+418877.33)=4757700,74mm4
Momen quán tính của tiết diện đối với trục y
Hai cánh: 2x(563/12+56x14,632)= 53241,46 mm3
Bụng :186x19,372= 69786,62 mm3
4 góc: 2x(9,42x13,372+32,18)+ 2x(9,42x42,632+32,18)=37734,75 mm3
Phần cánh mút : 2x13x48,632=61486,79 mm3
Momen quán tính thực của tiếtdiện đối với trục y:
Trang 24
TIỂU LUẬN
KẾT CẤU THÉP THANH THÀNH MỎNG TẠO HÌNH NGUỘI
2x(53241,46 +69786,62 +37734,75 +61486,79)=444499,24mm4
b) Đối với tiết diện chữ
2
:
x
66
80
x
y
60
y
6
46
6
Bề rộng phẳng của cánh: b = 60 – 2(5+2) = 46 mm;
Bề rộng phẳng của bụng: h = 80 – 2(5+2) = 66 mm;
Diện tích 560,25 mm2
Góc cong: L = 1,57R = 1,57.6 = 9,42 mm
c = 0,637R = 0,637.6 = 3,8 mm
I1 = 0,149 R3 = 32,18 mm3
Momen quán tính của tiết diện đối với trục x
Hai cánh : 2x46x(78/2)2 = 139932 mm3
Bụng
: 2x663/12= 47916mm3
4 góc
: 4x(9,42x332+32,18)=41162,24 mm3
Momen quán tính thực của tiếtdiện đối với trục x:
2x(139932 +47916+41162,24)= 458020,48 mm4
Momen quán tính của tiết diện đối với trục y
Hai cánh: 2x66x(48/2)2=76032 mm3
Bụng: 2x463/12=16222,67 mm3
4 góc: 4x(9,42x232+32,18)=20061,44 mm3
Momen quán tính thực của tiết diện đối với trục x:
2x(76032+16222,67+20061,44)=224632,22 mm4
2.5.2 Đặc trưng cơ học vật liệu
Thép hình cán nguội có giới hạn chảy fy=250 Mpa và giới hạn bền fu=320 Mpa
Trang 25
