Nghiên cứu chế tạo dầm thép phục vụ thí nghiệm uốn dầm bê tông cốt thép trên máy nén uốn bê tông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DẦM THÉP PHỤC
VỤ THÍ NGHIỆM UỐN DẦM BÊ TÔNG CỐT
THÉP TRÊN MÁY NÉN UỐN BÊ TÔNG
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2013-32

S KC 0 0 5 5 5 3

Tp. Hồ Chí Minh, 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
---------------o0o--------------

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DẦM THÉP PHỤC
VỤ THÍ NGHIỆM UỐN DẦM BÊ TÔNG CỐT
THÉP TRÊN MÁY NÉN UỐN BÊ TÔNG
MÃ SỐ ĐỀ TÀI: T2013-32

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: Th.S VƯƠNG THỊ NGỌC HÂN

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 02 NĂM 2014


DANH MỤC BẢNG BIỀU TRONG ĐỀ TÀI
Bảng 1: Thành phần hóa học của thép CT38
Bảng 2: Cơ tính của thép CT38
Bảng 3: Giá trị hệ số k
Bảng 4: Kích thước bản bụng dầm có thể lấy theo
Bảng 5: Xác định hệ số φ
Bảng 6: Chế độ hàn tự động dưới lớp thuốc bằng dịng một chiều:
Bảng 7: Thành phần hóa học của que hàn

Bảng 8: Chế độ hàn nối dầm
Bảng 9: Chế độ hàn nối bản bụng dầm dọc

1


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỀ TÀI

CT38

: Thép Cacbon chất lượng thường Mác 38

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

n

: hệ số an toàn

γp

: hệ số tin cậy của tải trọng

h

: chiều cao tiết diện dầm

qn

: tải trọng tiêu chuẩn phân bố đều trên dầm; qn=gn+pn

gn,pn

: tĩnh tải và hoạt tải tiêu chuẩn phân bố đều trên dầm.

E

: Mođun đàn hồi của dầm

L

: Chiều dài của dầm

F

: cường độ tính tốn chịu uốn của thép dầm

I

: Mơmen qn tính của dầm đối với trục chính x-x

M

: momen uốn tính toán của dầm

Mn

: momen uốn tiêu chuẩn của dầm

ntb

: hệ số vượt tải trung bình
: diện tích dầm

A
Aw

: diện tích tiết diện bản bụng dầm

Af

: diện tích tiết diện bản cánh dầm

σ1

: ứng suất pháp ở tại vị trí tiếp giáp giữa bản bụng với cánh chịu nén
dầm hàn

τ1

: ứng suất tiếp ở tại vị trí tiếp giáp giữa bản bụng với cánh chịu nén
dầm hàn

Ix

: mơmen qn tính của dầm đối với trục x-x

y

: khoảng cách tử biên trên của chiều cao tính tốn của bản bụng dầm
đến trục trung hòa

k1
D
ν

: hệ số phụ thuộc vào dạng liên kết bản cánh với bản bụng dầm
: độ cứng của bản thép
: hệ số possion của thép, ν = 0,3


λi

: là các nhân tử Lagrange

R

: Cường độ chịu nén khi uốn của thép

Ra

: Cường độ của thép.

Qtc

: Tải trọng rải đều thay thế tương đương tiêu chuẩn

Qr

: Tải trọng rải đều tương đương tính tốn


Mục lục

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i
TÓM TẮT .............................................................................................................. ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iv
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................. 1
1.1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................... 1
1.2. Mục tiêu đề tài ............................................................................................ 2
1.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................ 2
1.4. Nội dung nghiên cứu................................................................................... 2
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN TIẾT DIỆN DẦM CHỮ I ..... 3
2.1. Khái quát máy nén uốn bê tông Matest C901-01 ....................................... 3
2.2. Phân tích dạng kết cấu. ............................................................................... 4
2.3. Kiểm tra tiết diện dầm theo điều kiện bền ................................................ 11
2.4. Kiểm tra độ võng của dầm ...................................................................... 12
2.5. Kiểm tra ổn định tổng thể ......................................................................... 12
2.6. Kiểm tra ổn định cục bộ bản dầm ............................................................ 12
2.7. Tăng sƣờn cứng cho dầm.......................................................................... 15
2.8. Cấu tạo và tính tốn các chi tiết dầm ........................................................ 16
2.9. Xây dựng quy trình hàn ............................................................................ 17
CHƢƠNG 3: THIẾT LẬP BÀI TỐN TỐI ƢU HĨA TIẾT DIỆN TRÊN DẦM
THÉP CHỮ I ....................................................................................................... 23
3.1 . Một số vấn đề hợp kết cấu lý hóa trong lựa chọn mặt cắt và giải pháp kết
cấu ............................................................................................................. 23
3.2. Khái niệm bài tốn tối ƣu hóa kế cấu ..................................................... 23

iv


Mục lục

3.3. Phân loại các dạng bài toán tối ƣu hóa kết cấu....................................... 26
3.4. Các phƣơng pháp cơ bản giải bài tốn tối ƣu hóa kết cấu ....................... 30
3.5. Thiết lập bài tốn tối ƣu hóa tiết diện trên dầm thép I ........................... 33
CHƢƠNG 4: QUY TRÌNH TỐI ƢU THIẾT KẾ BẰNG MÔ PHỎNG SỐ
TRONG MÔI TRƢỜNG PHẦN MỀM ANSYS ................................................ 37
4.1. Tổng quan về thiết kế tối ƣu trong môi trƣờng phần mềm Ansys ............ 37
4.2. Một số khái niệm cơ bản ........................................................................... 38
4.3. Giao diện đồ họa ngƣời dung và cú pháp lệnh ......................................... 40
CHƢƠNG 5: KIỂM TRA DẦM TRONG MÔI TRƢỜNG PHẦN MỀM ANSYS
5.1 Kiểm tra dầm theo điều kiện bền ............................................................... 69
5.2. Kiểm tra biến dạng dầm ............................................................................ 71
CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................... 72
6.1. Kết luận ..................................................................................................... 72
6.2. Đề xuất và hƣớng phát triển...................................................................... 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO

v


Chương 1: Tổng quan

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật là yếu tố quyết định cho sự ra đời của các

thành tựu khoa học, tạo động lực phát triển cho tất cả các lĩnhvực, đặc biệt là sự
bùng nổ mạnh mẽ trong lĩnh vực xây dựng. Nhu cầu về xây dựng nhà cao tầng và
siêu cao tầng ngày càng nhiều, nhất là tại các khu đô thị lớn như Hà Nội và Thành
Phố Hồ Chí Minh.
Nếu chỉ sử dụng giải pháp bêtông cốt thép thông thường cho các nhà cao tầng
thì địi hỏi kích thước cấu kiện có thể rất lớn, nặng nề, giảm khơng gian sử dụng và
giảm tính thẩm mỹ cho cơng trình. Để khắc phục nhược điểm này thì giải pháp kết
cấu thép-bêtơng cốt thép được sử dụng. Giải pháp này tích hợp được các ưu điểm
lớn về đặc trưng cơ lý của vật liệu bêtơng để tạo ra kết cấu có khả năng chịu lực và
độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy. Bên cạnh đó, cơng trình
sử dụng các kết cấu này sẽ đáp ứng được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh
tế và đảm bảo tính thẩm mỹ.
Để có thể đáp ứng được nhu cầu xây dựng cao như vậy địi hỏi phải có các
máy móc phục vụ cơng tác thí nghiệm để xác định chính xác các tính chất cơ lý của
vật liệu bêtơng cốt thép, chuẩn đốn nhanh và chính xác các biến dạng của dầm
bêtông khi chịu uốn. Đánh giá điều kiện làm việc và khả năng chịu lực của cấu kiện
hiệu quả và đáng tin cậy. Vì thế, việc ứng dụng các thiết bị máy móc tiên tiến, hiện
đại vào tất cả các ngành, các lĩnh vực là chuyện tất yếu. Nhưng điều đó cịn phụ
thuộc vào nhiều yếu tố khách quan và việc thay đổi toàn bộ hệ thống máy móc thiết
bị sẽ tiêu tốn rất nhiều chi phí cho nhiều phịng thí nghiệm vật liệu xây dựng trên cả
nước. Chính vì thế, bài tốn cải tiến, khắc phục dựa trên những gì đang có cũng là
giải pháp đem lại lợi nhuận và sự phát triển hiệu quả trong xu thế hội nhập hiện nay.
Nhằm đáp ứng nhu cầu to lớn trong các thí nghiệm xác định các tính chất cơ lý
và độ võng của dầm bêtông cốt thép khi chịu uốn, đặc biệt là đối với các dầm
bêtông cốt thép có chiều dài hơn 1m, dựa trên thiết bị uốn nén bêtơng sẳn có, tác giả
1


Chương 1: Tổng quan

đã đề xuất nghiên cứu thiết kế, chế tạo một dầm thép phục vụ thí nghiệm uốn dầm
bêtông cốt thép, áp dụng đối với các dầm bêtông có chiều dài lớn hơn 1m với mục
tiêu làm giảm bớt chi phí mua sắm mới của khoa XD&CHUD và tăng cường công
năng sử dụng của máy nén uốn bêtông. Đó là lý do để tác giả lựa chọn đề tài: "
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO DẦM THÉP PHỤC VỤ THÍ NGHIỆM UỐN DẦM
BÊTÔNG CỐT THÉP TRÊN MÁY NÉN UỐN BÊTÔNG"
1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Qua việc nghiên cứu cải tiến một sản phẩm làm tăng giá trị sử dụng và tính
năng hiệu quả, có thể đưa vào ứng dụng thực tế trong các phịng thí nghiệm kết cấu,
để đánh giá chính xác khả năng chịu lực của cấu kiện nhằm nâng cao hiệu quả trong
cơng tác tính tốn và thiết kế dầm bêtông cốt thép.
1.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Cách tiếp cận: Nghiên cứu các thí nghiệm uốn dầm bêtơng cốt thép trên
máy nén uốn bêtông để đưa ra các giải pháp thiết kế dầm chữ I chịu uốn với tiết
diện tối ưu nhất.
- Phƣơng pháp nghiên cứu: Tác giả sử dụng phương pháp phân tích tài liệu
nhằm:
 Xác định cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế dầm chữ I chịu uốn
 Phân tích các catalog các máy nén uốn bêtơng có mặt trên thị
trườngViệt Nam.
 Phân tích tài liệu kỹ thuật của các hãng sản xuất thiết bị để xác định các
đặc trưng cơ tính của từng dầm chữ I chịu uốn.
 Tìm hiểu yêu cầu và đặc điểm của từng loại tải thiết lập hàm mục tiêu
cho bài tốn tối ưu hóa tiết diện để lựa chọn tiết diện phù hợp.
1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Tổng hợp, tham khảo tài liệu, viết cơ sở lý thuyết về biến dạng ở dầm chữ I
bằng thép
- Thiết lập bài tốn tối ưu hóa tiết diện trên dầm thép chữ I
- Mơ phỏng kích thước dầm chữ I dưới tác dụng của tải trọng uốn.
- Chế tạo dầm thép.

2


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

CHƢƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN TIẾT DIỆN DẦM CHỮ I
2.1. KHÁI QUÁT MÁY NÉN UỐN BÊTÔNG MATEST MODEL C901-01
Máy nén uốn bêtông Matest Model C901-01 dùng để kiểm tra cường độ uốn
của mẫu bêtơng có kích thước tối đa 200mmx200mmx800mm. Ngồi ra, máy cịn
có thể kiểm tra cường độ chịu uốn của khối phẳng, khối đá, ngói, hoặc bất kỳ loại
vật liệu nào có kích thước tối đa 600mm x 250mm vì máy có chiều dài của hai trục
uốn dưới max 1200mm.

Máy phù hợp với tiêu chuẩn EN12390-5; EN 1340-4; ASTMC78;
C293.AASHTO.T97; BS1881:118; BS6073-1; BS7263; UNE 83305
Độ chính xác chuẩn:Grade 1.0
Khung mở, định vị các trục uốn nhanh, dễ dàng và chính xác.
Khối lượng:350kg
Kích thước các khung uốn:1400x1200x1430
3


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

2.2. PHÂN TÍCH DẠNG KẾT CẤU
2.2.1 Khái niệm dầm chữ I:
Dầm là kết cấu chịu uốn có bản bụng đặc, là cấu kiện chịu uốn cơ bản trong
xây dựng và cơng nghiệp. Dầm có cấu tạo đơn giản, ít phân tố, dễ gia công, chế tạo
và dễ lắp ráp. Được dùng làm sàn nhà, dầm cầu, kết cấu chịu lực của các loại máy

vận chuyển... Mỗi loại dầm đều có đặc điểm sử dụng riêng, chọn loại này hay loại
khác phải dựa vào đặc điểm làm việc của nó và dựa trên cơ sở so sánh các chỉ tiêu
kinh tế kỹ thuật. Vd: uốn ngang thì chọn dầm tiết diện đối xứng, uốn xiên thì chọn
dầm có tiết diện không đối xứng.
2.2.2 Đặc điểm sử dụng các loại dầm:
- Dầm đơn giản, dễ chế tạo và lắp ráp nhưng không tiết kiệm vật liệu bằng
dầm liên tục.
- Dầm liên tục tiết kiệm vật liệu nhưng lắp ráp phức tạp.
- Dầm thép hình dễ gia cơng nhưng bị hạn chế về chủng loại và không tiết
kiệm kim loại bằng dầm tổ hợp.
- Dầm tổ hợp tiết kiệm vật liệu, dễ làm, phù hợp với trạng thái chịu lực.
- Dầm tổ hợp bulông cho phép tháo rời các chi tiết nên dễ thay đổi số lượng
bản đậy, dễ sửa chữa nhưng cồng kềnh, chế tạo phức tạp, đắt tiền.
- Dầm rỗng tiết kiệm vật liệu nhưng chế tạo phức tạp và dễ biếng dạng khi
chịu lực.
- Dầm có tiết diện không đối xứng chịu uốn xiên tốt.
2.2.3 Chọn vật liệu
Dựa vào tính năng của máy nén uốn bêtơng của Matest có model C092-01,
khung thử uốn chỉ uốn được những mẫu bêtơng có kích thước 100x150x600mm,
muốn cải tiến để uốn được những mẫu bêtơng có kích thước chiều dài khoảng 1,2
m, ta thiết kế, chế tạo thêm thanh uốn là dầm chữ I dài khoảng 1,2m, chịu được tải
trọng lớn nhất là 150kN. Căn cứ vào các đặc điểm sử dụng các loại dầm, tác giả
quyết định chọn loại dầm tổ hợp hàn, cho phép đảm bảo cường độ, độ cứng và độ
ổn định. Để tăng cường khả năng chịu lực, ta gia cường thêm các gân tăng cứng.

4


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

Dầm tổ hợp hàn chữ I: được cấu tạo gồm ba bản thép ghép lại bằng đường
hàn góc. Hai bản nằm ngang – hai cánh dầm. Bản thẳng đứng – bản bụng.
So với dầm đinh tán, ít tốn vật liệu và nhẹ hơn, chi phí cấu tạo ít hơn vì vậy chúng
được sử dụng niều hơn.

Kết cấu hàn là tổ hợp của nhiều chi tiết mà trong đó mỗi chi tiết có chức
năng và điều kiện làm việc khơng giống nhau. Do đó phải căn cứ vào u cầu kỹ
thuật của từng chi tiết để lựa chọn vật liệu chế tạo cơ bản sao cho hợp lý. Vừa phải
đảm bảo chất lượng năng suất và giá thành chế tạo kết cấu. Nói cách khác là vật liệu
phải đảm bảo đồng thời 2 chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật.
- Mặc dù các chi tiết có kích thước và hình dạng khác nhau song đều được chế
tạo từ vật liệu kim loại thanh thép . Qua gia công cơ khí sau đó đem hàn lại thành
“Kết cấu cầu dẫn” . Là kết cấu tấm được chết tạo sao cho đảm bảo chỉ tiêu về cơ
tính , độ tin cậy cao khi làm việc .
- Vì vậy để vừa đảm bảo độ bền vừa đảm bảo tính hàn , giá thành lại phù hợp ta
chọn vật liệu là thép CT38 (TCVN 1695-75) tương đương với thép CT3 (TC Nga
ГOG380-71) . Bởi vì loại vật liệu này được sử dụng phổ biến trên thị trường , nó
vừa đảm bảo tính kính tế cũng như đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của kết cấu khi
làm việc.
- Thép CT38 là loại thép cacbon chất lượng thường. Là loại thép mềm dẻo, độ
cứng thấp , hiệu quả tôi và ram không cao . Được dùng để chế tạo các chi tiết trong
kết cấu nhưng qua gia cơng nóng . Do đó nó tính hàn tốt . Khi hàn không cần phải
dùng các công nghệ đặc biệt .
- Thành phần hoá học của thép CT38 theo bảng (1-III) trang 219 sách (HDTKĐA)
5


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

Bảng 1: Thành phần hóa học của thép CT38:

Nhãn hiệu
Thành phần hố học (%)
thép
C
Mn
Si
P

S

CT38

<0,045

0,120,23

0,4 0,65

0,150,3

<0,045

Bảng 2: Cơ tính của thép CT38:
Độ bền k
(N/mm2)

Kí hiệu mác
thép
CT38

380 490

Giới hạn chảy c
(N/mm2)
240

5
2

E  2,1.10 N / mm
Chọn vật liệu là thép CT38 có : 
2

 c  240 N / mm

2.2.4 Tính tốn và chọn tiết diện dầm:
Dầm là loại cấu kiện cơ bản chịu uốn lớn nhất ở giữa dầm và chịu cắt lớn nhất ở đầu
dầm, ngoài ra dầm cịn có thể chịu momen xoắn. Do dầm có nhịp l=1,2 m nên ta
chọn dầm là dầm chữ I tổ hợp hàn vì nó có khả năng chống uốn và khả năng chống
xoắn tương đối tốt. Chọn vật liệu chế tạo dầm là thép CT38
-

Chọn hệ số an toàn n=1.4

-

Sơ lược tải trọng tác dụng lên dầm:

-

Tải trọng lớn nhất tác dụng lên dầm: 150 kN ≈ 15290,5 kg

-

Hệ số tin cậy của tải trọng: γp = 1.
2.2.4.1 Xác định chiều cao của dầm:

Chiều cao tiết diện dầm là thông số cơ bản khi thiết kế dầm. chiều cao tiết diện vừa
phải bảo đảm yêu cầu sử dụng, vừa phải đủ cứng để không võng quá độ võng giới
hạn, nhưng cao độ mặt trên, mặt dưới lại không bị khống chế bởi yêu cầu công
nghệ, đồng thời thỏa mãn về yêu cầu kinh tế.
Chiều cao của dầm tổ hợp xác định từ ba điều kiện:
-

Chiều cao so với khung uốn

-

Giải pháp kinh tế (ít tốn vật liệu, ít tốn cơng chế tạo)

-

Đảm bảo độ cứng
6


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

Gọi h là chiều cao tiết diện dầm, cần chọn h thỏa mãn điều kiện sau:
h=(

1 1
1 1
÷ )*l = ( ÷ )*1200 =120 ÷ 150 mm
10 8
10 8

 Ta chọn h = 120 mm
a. Xác định chiều cao kinh tế
Đối với dầm đơn giản, chịu tải phân bố dọc theo chiều dài dầm, độ võng tương
đối lớn nhất được xác định theo công thức:


5 q n .L3    1

.
 
L 384 EI
L n0
Trong đó: qn là tải trọng tiêu chuẩn phân bố đều trên dầm; qn=gn+pn
gn,pn:tĩnh tải và hoạt tải tiêu chuẩn phân bố đều trên dầm.
E : Mođun đàn hồi của dầm
L: Chiều dài của dầm
f: cường độ tính tốn chịu uốn của thép dầm
I: Mơmen qn tính của dầm đối với trục chính x-x

h M h M n .n tb h q n .L2 .n tb h
IW  . 
. 
.

2 f 2
f
2
8f
2
Ở đây: M: momen uốn tính tốn của dầm; M=Mn.ntb

q n .L2
Mn: momen uốn tiêu chuẩn của dầm; M n 
8
ntb: hệ số vượt tải trung bình:

n tb 

q  g .g n   p .p n
.
qn
g n  pn

 g ,  p :hệ số vượt tải của tĩnh tải và hoạt tải tiêu chuẩn;

Thay (1.1) vào (1.2), ta được:

q n L316f
5
5
fL
1 f .L
1




 5

2
384 Eq n L n tb h 24 En tb h 10 n tb h n 0

7


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

h

n 0 fL
n fL
 5 ; h min  0  5
n tb 10
n tb 10

b. Xác định chiều cao tối thiểu
Vì tw rất nhỏ so vớih, do đó, coi h  h w  h f , mômen kháng uốn của dầm được
xác định:

2
2 t h3
h  h A
hA
2
 h


I   w  2A f ( ) 2   ( w  2A f )   w  A  A w    A  A W 
h
h  12
2  2 3
2 3
3

 2
Ah t w h 2 Ah h 3




;
2
3
2 3 w
W

w 

hw
h
h
 ;tw 
tw
tw
w

A: diện tích dầm
Aw: diện tích tiết diện bản bụng dầm;
Af: diện tích tiết diện bản cánh dầm;

AW
h 3kt 

2 2 h 2 A
2 2x 2 h
 
;
 W 2 
.
0
h 3  m dh
h
3 w

3
3
W
W
W m ; h kt  3 W w  k
; h kt  k
2
2
tw
tw

Bảng 3: Giá trị hệ số k:

Hệ số k khi tiết diện dầm
Loại dầm

Không đổi

Thay đổi

Hàn

1,15

1,1

Bulông

1,25

1,15

Khi chiều cao dầm thay đổi ±20% so với hkt thì diện tích tiết diện dầm A chỉ tăng
lên 3÷4%. Như vậy chọn chiều cao dầm giảm đi 20÷25% thì sẽ có lợi về chế tạo và
giảm được chiều cao khung máy.
Vậy chiều cao dầm được xác định trong khoảng :

n 0 fL
W
 5 hk
.
n tb 10
tw

2.2.4.2 Xác định bề dày bản bụng dầm
8


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

Bảng 4: Kích thước bản bụng dầm có thể lấy theo:
L(m)

≤6

12

k

≤100

100÷140 110÷150 130÷170 150÷180 160÷200 ≥200

Tw(mm)

6÷8

8÷12

18

24

12÷16

30

14÷18

16÷20

36

18÷22

≥42
≥22

Ứng suất tiếp của dầm được xác định theo công thức:

v 

VWd
VS
V.S
V.S
2VS
1,2V
 fvc  tw 





It w
If v  c Wh
Whf v  c Whf v  c
fvh
.f v  c
2

6mm
1,2V

 fvh

tw  
3h
7

 1000

h w f
 5,5 E


- theo điều kiện vận chuyển, lắp đặt
- theo điều kiện chịu lực cắt của bản bụng dầm
- theo thực nghiệm khi h=1÷2m
-khi khơng dùng sườn gia cường

Do đó, ta chọn bề dày bản bụng dầm là 13mm
2.2.4.3 Xác định kích thƣớc cánh dầm
Momen quán tính của tiết diện hai cánh dầm đối với trục trung hòa được xác định:

2

2

A h2
h 
h
I f  2A f  f   2A f    f
2
2
 2 

h t w h 3w
h Awh2
If  I  Iw  W 
W 
2
12
2
12
Mặt khác:
2
2
A h
h A h
W Aw
 W  w  f  Af 

2
12

2
h
6
Sau khi đã xác định được diện tích tiết diện của cánh dầm, ta chọn chiều rộng và bề
dày bản cánh từ điều kiện đảm bảo ổn định cục bộ, ổn định tổng thể và các điều

 1 1 
 3  5 .h

b f  
kiện cấu tạo khác: Đề đảm bảo ổn định tổng thể, thông thường:
 h
 10

9


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

- Để đảm bảo ổn định cục bộ của bản cánh dầm: b f  0,5t f

E
( 30 t f  đối với
f

thép cacbon thấp);
- Về cấu tạo: bf ≥ 180mm
Bề dày bản cánh t f 

Af

; thông thường ta lấy tw≤ tf ≤ 3tw
bf

2.2.4.3 Thay đổi tiết diện dầm
Tiết diện dầm xác định theo momen lớn nhất Mmax nên có thể giảm tiết diện ở
nơi có momen nhỏ, chẳng hạn đối với dầm đơn giản - gần gối tựa. Việc giảm tiết
diện sẽ giúp tiết kiệm kim loại.
Có thể thay đổi tiết diện dầm bằng các cách như sau:
- Giảm chiều rộng cánh dầm:
+ Giảm bậc thang
+ Giảm liên tục
- Giảm chiều cao dầm ở gần gối tựa
- Giảm bề dày cánh dầm
- Giảm hổn hợp
Có hai cách xác định vị trí thay đổi tiết diện dầm:

1 1
Cách 1: Lấy x 1    L
5 6
W1ye 

M1
Mh
2
 I1  I1  1
f
h
2f

Trong đó:

f: cường độ tính toán chịu uốn của thép dầm;
M1: momen uốn tại vị trí cách gối tựa một khoảng x1:

M1 

qx 1 L  x 1 
2

I1: momen quán tính của tiết diện dầm

t w h 3w
t w h 3w b1 t f
 hw  tf 
h w  t f 2
I1 
 2b 1 t f 

 
12
12
2
 2 
2

Cân bằng hai biểu thức, ta được:
10


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

 M h t h3
b1   1  w w
6
 f


1

2
 t f (h w  t f )

Cách 2: Chọn trước b1

bc
2

b1  18 mm
h

10

M1 

qx 1 (L  x 1 )
 W1f
2

Ta tính W1 và giải phương trình qx12  qLx1  2W1f  0 , ta sẽ tìm được vị trí x1
2.3 KIỂM TRA TIẾT DIỆN DẦM THEO ĐIỀU KIỆN BỀN
2.3.1 Kiểm tra bền tại vị trí có momen uốn lớn nhất

Tại vị trí có momen uốn lớn nhất, chẳng hạn như ở hai đầu mút của dầm, chịu tải
tập trung ở giữa, độ bền uốn của dầm được kiểm tra theo công thức
2.3.2 Kiểm tra bền tại vị trí có lực cắt lớn nhất
Tại vị trí có lực cắt lớn nhất, chẳng hạn tại khu vực gối tựa của dầm đơn giản chịu
tải tập trung, độ bền chịu cắt của bản bụng dầm được kiểm tra theo công thức
2.3.3 Kiểm tra bền tại vị trí có momen uốn và lực cắt tác dụng đồng thời tƣơng
đối lớn
Tại vị trí có momen uốn và lực cắt tác dụng đồng thời tương đối lớn, chẳng hạn tại
gối tựa ở giữa dầm, độ bền của dầm được kiểm tra theo ứng suất tương đương:

 td  12  312  1,15f c
Trong đó:

1 

M hw
VS
và 1 
- ứng suất pháp và ứng suất tiếp ở tại vị trí tiếp giáp giữa
W h
Iw t w

bản bụng với cánh chịu nén dầm hàn.
f - cường đố tính tốn chịu uốn của thép dầm
 c - hệ số điều kiện làm việc của dầm

11


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

2.3.4 Kiểm tra bản bụng dầm theo khả năng chịu ứng suất cục bộ
Khi trên cánh dầm có tải trọng tập trung tác dụng trong mặt phẳng bản bụng mà
bên dưới khơng có sườn tăng cứng, ta phải kiểm tra độ bền nén cục bộ của mép trên
bản bụng…., đồng thời, cần kiểm tra ứng suất tương đương tại vị trí có ứng suất cục
bộ bằng cơng thức:

 td  12   c2  1 c  312  1,15f c
2.4 KIỂM TRA ĐỘ VÕNG CỦA DẦM
Khi lấy h ≥ hmin thì khơng cần kiểm tra độ võng, trái lại, cần kiểm tra độ võng của
dầm theo công thức (*)
2.5 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ
Ổn định tổng thể của dầm thép tổ hợp hàn cũng được kiểm tra theo các điều kiện
như ở thép hình, nhưng khác là hệ số υd được xác định như sau:


d   1
 2

- Khi υ1≤0,85
- Khi υ1>0,85

Trong đó, hệ số υ1 được xác định theo công thức  2  0,68  0,211
Tra bảng, ta có υ =0,85υd
Khi υ1 >0,85υd, ta có thể xác định theo bảng:
Bảng 5: Xác định hệ số υ
υ2

0,90

0,95

1,00

1,05

1,10

1,20

1,30

1,40

1,55

υd

0,871

0,890

0,904

0,916

0,927

0,948

0,964

0,980

1,00

2.5 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH CỤC BỘ BẢN DẦM
Mất ổn định cục bộ của bản bụng dầm biểu hiện là có những khu vực bản bụng bị
phình ra hoặc lõm vào so với mặt phẳng của nó. Mất ổn định cục bộ của bản bụng
dầm có thể xảy ra khi chưa mất ổn định tổng thể và chưa bị phá hoại bền dưới sự tác
dụng của ứng suất pháp σ, ứng suất tiếp τ, và ứng suất cục bộ cũng như sự tương tác
giữa chúng.
Mất ổn định cục bộ của bản bụng dầm được tính bằng cơng thức:

12


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I
2

 
    

 


      c

cr
c

,
cr

  cr 
2

2.5.1 Xác định thành phần ứng suất pháp và ứng suất tiếp của dầm



M
M hw
y
Ix
W h


V
hwtw

Trong đó:
Ix - mơmen qn tính của dầm đối với trục x-x
y - khoảng cách tử biên trên của chiều cao tính tốn của bản bụng dầm đến trục
trung hòa.
Momen uốn M và lực cắt V được xác định như sau:
- Nếu chiều dài của ô nhỏ hơn hoặc bằng chiều cao tính tốn của nó (a ≤ hw)
thì M, V lấy tại tiết diện giữa ơ.
- Nếu a > hw thì M, V lấy tại tiết diện giữa phần ơ bản có ứng suất lớn hơn và
có chiều dài bằng hw.
- Nếu trong phạm vi ô kiểm tra có M và V đổi dấu thì giá trị trung bình của

chúng lấy trên phần ơ có giá trị tuyệt đối của nội lực lớn.
2.5.2 Xác định ứng suất cục bộ
Ứng suất cục bộ σc trong bản bụng do tải trọng tập trung được tính theo cơng
thức (3.15).
Nếu trong ô có tải trọng tập trung đặt ở cánh chịu kéo thì chỉ kiểm tra do tác
dụng đồng thời của hai thành phần ứng suất σ, τ hoặc σc và τ.
2.5.3 Xác định ứng suất pháp và ứng suất cục bộ tới hạn
Hình dạng của tấm vẫn được giữ ổn định cho đến khi lực nén chưa đạt tới giá trị tới
hạn Ncr

N cr 

k1D 2
d2

Trong đó:

13


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

k1- hệ số phụ thuộc vào dạng liên kết bản cánh với bản bụng dầm, vùng phân bố ứng
suất và tỷ lệ cạnh ô bản;
D- độ cứng của bản thép, D 

Edt 3w
EI

1   2 12(1   2 )

d- chiều rộng tính tốn của ơ bản

N
k 1  2 Edt 3w
k1 2 E  t w 
k1 2 E  1

 cr  cr 

.



A 12 (1   2 )d 2 dt w 12 (1   2 )  d 
12 (1   2 )   ob
2







2

k 1 2 E
k 1 2
f
f

kf


 2  2
2
2
2
12 (1   ) E ob 12 (1   )  ob  ob

Với  ob là độ mảnh của ô bản,  ob 

d
tw

ob - độ mảnh quy ước của ô bản
 ob 

d
tw

f
f
  ob
E
E

ν- hệ số possion của thép, ν = 0,3;

k1 2
k

12(1   2 )

 c cr f
 2
 w
c f
 cr   22
 w
c2f
 2
 a
 2

a
 0,8
hw

a
 
- khi σc ≠ 0;
 0,8 và c >  c  ,
 
hw

a
 
- khi σc ≠ 0;
 0,8 và c ≤  c  ,
 
hw

- khi σc = 0 hoặc

 w - độ mảnh quy ước của bản bụng dầm, với d = hw
2a - độ mãnh quy ước của nữa ô bản, với d = a/2
2

Hệ số ccr được lấy như sau:
Đối với dầm tổ hợp hàn ccr tra bảng và phụ thuộc vào tham số δ (xét mức độ ngàm
đàn hồi giữa bản cánh và bản bụng dầm
14


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

b
 f
hw

 tf

 tw





3

Với β là hệ số điều kiện làm việc của cánh nén; β = 0,8
Ứng suất cục bộ tới hạn  c ,cr được xác định:

 c,cr 

c1 f
2a

2a độ mảnh quy ước của ô bản, với d = a
2.5.4 Xác định ứng suất tiếp tới hạn
Ứng suất tiếp tới hạn τcr được xác định theo công thức:

 0,76  f
 cr  10,31  2  2v
   ob






2.6 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH CỤC BỘ BẢN CÁNH DẦM
Thay d = b0 và tw =tf vào công thức, ta được:
2

2

t 
k1 2 E  t f 
k1 2 E  t f 
  
   0,25E. f 

 cr 
2 
2 
12(1   )  b 0  12(1  0,3 )  b 0 
 b0 

2

b 
E
cho :  cr  f được  0   0,5
f
 tf 
\Trong dầm, tỷ số giữa chiều rộng tính tốn và chiều dày bản cánh b 0/tf không đước
lớn hơn giá trị [b0/tf] giới hạn được cho ở bảng D19.
2.7 TĂNG CƢỜNG SƢỜNG CỨNG CHO DẦM
Để đảm bảo ổn định cục bộ, bản bụng của dầm tổ hợp phải được tăng cường bằng
các sườn ngang.
Từ CT () với a = 2hw và cho τcr = fv, chúng ta có:

10,3

fv
 f v   w   10,3  3,2
2w

Từ CT () với a = 2hw và cho τcr →fv, ta có:

 0,76  f
 0,76 

10,31  2  2v  f v   ob   10,31 
  3,5
2   ob
4 


15


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

Từ công thức () với ccr = ccr,min=30 và cho ccr ≈ f, chúng ta có

  
w

30  5,5

Do dầm chịu tải trọng tĩnh, nên ta lấy độ mãnh quy ước của bản bụng dầm

 >3,2.
w

Các sườn ngang cách nhau một khoảng a ≤2hw
Nếu chỉ tăng cường bản bụng bằng sườn cứng ngang thì kích thước cùa chúng lấy
như sau:

h w
 30  40 mm


h
b s   w  50 mm
 24

E
0,65 t w
f


- khi bố trí cặp sườn đối xứng hai bên dầm
- khi bố trí một cặp sườn đối xứng ở một bên dầm

2. 8 CẤU TẠO VÀ TÍNH TỐN CÁC CHI TIẾT DẦM
2.8.1 Liên kết bản cánh với bản bụng dầm
Khi chịu uốn giữa bản cánh và bản bụng dầm bị liên kết cản trở nên gây ra ứng suất
tiếp và dẫn đến lực trượt T. Khảo sát liên kết trên một đơn vị dài với hệ số điều kiện
làm việc γc=1, ta có lực trượt T là:

T  v t w 

QS
I

Ở trường hợp tổng quát dầm có cả lực nén cục bộ ở cánh trên:

Vc   C t w 

NC
Lz

Vậy nội lực tính tốn N tại vị trí khảo sát là:

N  T 2  Vc2
2.8.2 Tính tốn liên kết bản cánh với bản bụng đối với dầm liên kết hàn
Theo CT () với chiều dài đường hàn bằng một đơn vị và γc = 1chúng ta có ứng suất
đường hàn góc chịu cắt quy ước:
- Theo tiết diện 1:  f 

N
N

 f wf
 A f  f k f

16


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

- Theo tiết diện 2:  s 

N
N

 f ws
 A s  s k f L w

Vậy chiều cao đường hàn giữa bản cánh và bản bụng (hàn cả hai bên cánh) là

 N

 2 f
 f wf
kf  
 N
 2 s f ws
Ở đây, N xác định theo CT
2.9 XÂY DỰNG QUY TRÌNH HÀN
-

Độ bền của kết cấu phụ thuộc và độ bền của liên kết hàn. Việc chọn kiểu mối

hàn, phương pháp hàn, quy trình cơng nghệ hàn sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của
kết cấu.
Hàn kết cấu phải được tiến hành theo đúng Quy trình cơng nghệ đã được phê duyệt,
trong đó quy định cụ thể:
-

Phương pháp hàn và chế độ hàn.

-

Các thiết bị, dụng cụ hàn, các vật liệu hàn được phép sử dụng.

-

Trình tự gá lắp và hàn đính.

-

Trình tự thực hiện các mối hàn trong kết cấu.

-

Các khâu kiểm tra, giám sát trong quá trình chế tạo.

2.9.1 Phƣơng pháp hàn và chế độ hàn:
2.9.1.1 Phƣơng pháp hàn:
-

Khi thực hiện hàn dầm chữ I và dầm hộp, ta chọn phương pháp hàn là
phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc vì những lý do sau :

-

Phương pháp hàn này đảm bảo kích thước hàn và thành phần hóa học đồng
đều trên suốt chiều dài dầm

-

Nhiệt lượng hồ quang tập trung và nhiệt độ rất cao cho phép hàn với tốc độ
lớn.

-

Chất lượng mối hàn cao, kim loại mối hàn đồng nhất về thành phần hóa học.

-

Mối hàn có hình dạng tốt, đều đặn, ít bị các khuyết tật như khơng ngấu, rỗ
khí, nứt và bắn tóe.

17


Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn tiết diện dầm chữ I

-

Giảm tiêu hao kim loại điện cực và điện năng.

-

Biến dạng của liên kết sau khi hàn nhỏ.

-

Điều kiện làm việc của thợ hàn tốt, ít phát sinh khí độc so với hàn hồ quang tay.

-

Tự động hóa quá trình hàn.

2.9.1.2 Chế độ hàn:
a. Chọn tiết diện mối hàn:
-

Mối hàn được sử dụng ở đây, chủ yếu là mối hàn góc. Ta chon chiều cao mối
hàn bằng chiều dày tấm mỏng nhất trong liên kết hàn.

-

Với dầm chữ I (gồm dầm dọc nhịp và gối đỡ), ta chọn a =1mm

 Cạnh mối hàn góc dầm chữ I: KI = 1.

= 1,414 (mm)

chọn KI = 1,4 (mm)

b. Chế độ mối hàn góc:
-

Khi hàn dưới lớp thuốc có thể dùng dòng một chiều cực dương hoặc âm và

dòng xoay chiều. Hàn với cực dương (ngược cực) cho độ ngấu lớn nhất. Độ ngấu
thấp nhất khi hàn với cực âm (thuận cực) và trung bình khi hàn với dịng xoay
chiều.
-

Theo 592_TCN280-01, hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc dùng
nguồn điện một chiều đấu nghịch cực (cực dương ở mỏ hàn).

-

Hàn tự động dưới lớp thuốc không thể hàn đắp chi tiết có đường kính nhỏ

hơn 50 (mm) nên ta chọn chế độ hàn một lớp cho liên kết hàn dầm chữ I này.
-

Chế độ mối hàn góc bao gồm: dòng điện hàn, điện thế hàn, tốc độ hàn, các biện

pháp gia nhiệt.
-

Theo Sổ tay công nghệ hàn (ĐHBKHN – 1997) ta có chế độ hàn tự động

dưới lớp thuốc mối hàn góc:
Bảng 6: Chế độ hàn tự động dưới lớp thuốc bằng dòng một chiều:
Cạnh mối hàn Đường kính
(mm)
dây (mm)
1

3

Cường độ
Điện áp hàn Uh Tốc độ hàn vh
dịng điện hàn
(V)
(m/h)
Ih (A)
500-525
30-32
45-47

18