Phần 1 của giáo trình Kết cấu thép cung cấp cho học viên những nội dung về: đại cương kết cấu thép; tính chất cơ lý và qui cách thép xây dựng; phương pháp tính kết cấu theo trạng thái giới hạn; các liên kết và nguyên tắc tính toán kết cấu thép;... Mời các bạn cùng tham khảo!
CHƢƠNG ĐẠI CƢƠNG VỀ KẾT CẤU THÉP 1.1 Định nghĩa Khái niệm “kết cấu thép” dùng để kết cấu chịu lực cơng trình xây dựng làm thép kim loại khác nói chung Đó loại kết cấu cơng trình quan trọng xây dựng đại, đặc biệt xây dựng công nghiệp Kết cấu thép tạo nên cấu kiện khác nhau: thanh, tấm; chúng liên kết với tạo nên kết cấu cơng trình đáp ứng nhiệm vụ sử dụng 1.2 Ƣu nhƣợc điểm kết cấu thép Kết cấu thép có ưu điểm sau khiến sử dụng rộng rãi cơng trình xây dựng Khả chịu lực lớn độ tin cậy cao Kết cấu thép có khả chịu lực lớn vật liệu thép có cư ờng độ lớn, lớn vật liệu xây dựng Độ tin cậy cao cấu trúc vật liệu, làm việc đàn hồi dẻo vật liệu thép gần sát với giả thiết tính tốn Trọng lƣợng nhẹ Kết cấu thép nhẹ số kết cấu chịu lực: Bê tông cốt thép, gạch đá, gỗ Để đánh giá phẩm chất nhẹ vật liệu, người ta thường dùng hệ số c (hệ số phẩm chất) tỷ lệ trọng lượng riêng cường độ tính tốn gốc c R Đối với thép c= 3,7.10-4 l/m, nhẹ gỗ c = -4 5,4.10 l/m nhiều lần nhẹ Bê tông c = 2,4 10-3 l/m Tính cơng nghiệp hóa cao Do sản xuất vật liệu (thép cán) hoàn toàn nhà máy luyện kim, chế tạo kết cấu thép làm chủ yếu nhà máy chun ngành, dùng loại máy móc thiết bị chuyên dụng Kết cấu thép thích hợp với điều kiện xây dựng cơng nghiệp hóa Tính động vận chuyển, lắp ráp Do trọng lượng nhẹ, độ cứng lớn nên việc vận chuyển lắp ráp kết cấu thép dễ dàng nhanh chóng Kết cấu thép dễ sửa chữa, thay thế, tháo dỡ, di chuyển Điều đặc biệt quan trọng cần cải tạo sở sản xuất cho phù hợp với dây chuyền công nghệ mới, cơng trình phải di chuyển cần thiết, để khôi phục sửa chữa cầu, nhà máy bị hư hỏng, xuống cấp Tính kín Vật liệu liên kết kết cấu thép có tính kín khơng thấm nước, khơng thấm khí, nên thích hợp cho cơng trình bể chứa chất lỏng, chất khí; điều khó thực vật khác 1-1 Đồng thời, kết cấu thép có khuyết điểm hạn chế việc sử dụng: Bị ăn mịn Trong mơi trường khơng khí ẩm, mơi trường xâm thực, thép bị gỉ, từ gỉ bề mặt bị phá hoại hồn tồn, sau vài ba năm Bởi vậy, cần bảo vệ chống ăn mòn cho thép, nơi ẩm ướt, nơi có hàm lượng chất ăn mòn cao Tùy mức độ ăn mòn mà sử dụng lớp bảo vệ khác cho thép: Sơn thông thường, sơn tĩnh điện, mạ kẽm, mạ nhơm, mạ crơm Chi phí bảo dưỡng KCT (kết cấu thép) cao Nhôm số hợp kim nhơm có khả chống gỉ cao; gang vật liệu chống gỉ tốt Chịu lửa Thép không cháy nhiệt độ t = 500 6000 C, thép chuyển sang trạng thái dẻo, khả chịu lực, kết cấu bị sụp đổ dễ dàng Độ chịu lửa KCT chí kết cấu gỗ dán Bởi vậy, công trình nguy hiểm mặt phịng cháy như: kho chất cháy, nhà ở, nhà công cộng, khung thép nhà cao tầng thép phải bọc lớp chịu lửa (bêtơng, gốm, sơn phịng lửa ) 1.3 Phạm vi áp dụng Do đặc điểm nói trên, KCT thích hợp với cơng trình lớn (nhịp rộng, chiều cao lớn, chịu tải trọng nặng), cơng trình cần trọng lượng nhẹ, cơng trình cần độ kín khơng thấm nước khí Phạm vi ứng dụng KCT rộng, chia làm loại cơng trình sau: Nhà công nghiệp, khung nhà công nghiệp toàn thép nhà cao, cầu trục nặng, hỗn hợp cột bêtơng cốt thép, dàn dầm thép Nhà nhịp lớn, loại nhà yêu cầu sử dụng phải có nhịp lớn 30 40 m, nhà biểu diễn ca nhạc, nhà thi đấu thể dục thể thao, nhà triển lãm, nhà chứa máy bay dùng KCT hợp lý Có trường hợp nhịp đặc biệt lớn, ví dụ 100m KCT áp dụng Có thể giảm trọng lượng kết cấu chịu lực nhà nhịp lớn nhờ dùng thép cường độ cao sử dụng ứng suất trước Khung nhà nhiều tầng, đặc biệt kiểu nhà dạng tháp thành phố Khi nhà 20 30 tầng nội lực cột lớn, yêu cầu dộ cứng cao, dùng khung thép có lợi khung bêtơng cốt thép Với nhà siêu cao tầng KCT chịu lực biện pháp Hiện nhà cao tầng thường dùng KCT liên hợp thép - bêtông (cột thép hình bọc nhồi bê tơng chịu lực, sàn liên hợp dầm thép làm việc với sàn bê tơng), loại kết cấu có nhiều ưu điểm chịu lực có khả chống cháy tốt Cầu đường bộ, cầu đường sắt, làm thép thi nhịp vừa, nhịp lớn, cần thi cơng nhanh Cầu treo thép vượt nhịp lớn, 1000m 1-2 Kết cấu tháp cao, loại cột điện, cột ăngten vô tuyến, tháp trắc đạc, số loại kết cấu đặc biệt tháp khoan dầu Sử dụng thép có lợi kết cấu nhẹ, dễ vận chuyển, dễ dựng lắp Kết cấu bản, loại bể chứa dầu, bể chứa khí, thiết bị lị cao, nhà máy hóa chất, nhà máy hóa dầu Đây phạm vi ứng dụng đặc biệt có lợi, nhiều kết cấu thép, tính kín, chống thấm KCT, khả làm việc điều kiện bất lợi nhiệt độ áp suất Các loại kết cấu di động, cần trục, cửa van, gương ăngten parabôn cần trọng lượng nhẹ để di chuyển nâng cất dễ dàng Ngày KCT ứng dụng cơng trình số ngành cơng nghiệp đại dàn khoan dầu biển, kết cấu lò phản ứng hạt nhân v.v Nói chung, nhiều nước giới, thép vật liệu quý hiếm, thép cần dùng cho ngành kinh tế quốc dân Do trường hợp có thể, người ta tìm cách thay thép vật liệu khác bêtông cốt thép, gỗ dán nước ta, phần lớn thép xây dựng phải nhập ngoại nên việc sử dụng KCT hay vật liệu khác lại phải cân nhắc, so sánh trường hợp cụ thể Xét riêng mặt giá vật liệu KCT đắt kết cấu bêtơng cốt thép khoảng ba lần: đơn vị thể tích bêtông khoảng 70 lần, cường độ thép cao bêtông khoảng 20 lần Tuy nhiên, xét toàn diện giá thành xây dựng, kể hiệu kinh tế việc thi cơng nhanh nhiều trường hợp dùng KCT có lợi với cơng trình nhỏ 1.4 Các yêu cầu KCT Khi thiết kế KCT, phải đạt yêu cầu sau loại kết cấu khác yêu cầu sử dụng, yêu cầu người thiết kế KCT phải thỏa mãn yêu cầu chịu lực đề điều kiện sử dụng: phải đảm bảo độ an toàn kết cấu phải đủ độ bền, độ cứng, đủ sức chịu tải trọng sử dụng Kết cấu phải đảm bảo độ bền lâu thích đáng cơng trình Hình dạng cấu tạo kết cấu phải đảm bảo cho tiện bảo dưỡng, tiện kiểm tra sơn bảo vệ Đẹp yêu cầu sử dụng, đặc biệt quan trọng nhà cơng cộng có kết cấu lộ ngồi KCT dễ có hình dạng hài hịa u cầu kinh tế thể mặt Tiết kiệm vật liệu Thép cần sử dụng cách hợp lý, chỗ, thay thép vật liệu khác Việc tiết kiệm vật liệu 1-3 đạt cách chọn giải pháp kết cấu hợp lý, dùng thép cường độ cao, dùng phương pháp tính tốn tiên tiến Lắp ráp nhanh KCT chế tạo nhà máy, sau phải dễ dàng vận chuyển đến nơi lắp dựng, cách chia thành đơn vị vận chuyển hay để nguyên kết cấu Tại cơng trường, kết cấu phải lắp ráp nhanh chóng với thiết bị sẵn có, liên kết dựng lắp phải dễ dàng thuận tiện Điển hình hóa KCT Điển hình hóa có nhiều mức độ: điển hình hóa cấu kiện xà gồ, dầm, dàn; điển hình hóa kết cấu cột điện, bể chứa, nhịp cầu, khung nhà v.v Việc điển hình hóa tránh thiết kế lặp lại nghiên cứu dạng kết cấu tối ưu, lợi mặt vật liệu giá thành Mặt khác chế tạo hàng loạt lớn cấu kiện nước ta có nhiều tiến việc thiết kế điển hình KCT, áp dụng nước ngành như: kèo mái nhà, cột đường dây tải điện, cầu độ nhỏ, bể chứa dầu v.v Hình 1.1 Khung nhà thép xây dựng 1.5 Thép xây dựng 1.5.1 Phân loại thép xây dựng - Theo thành phần hóa học thép chia ra: + Thép bon: hàm lượng bon 1,7%, khơng có thành phần hợp kim khác Tùy theo hàm lượng bon lại chia ra: thép bon thấp, thép bon vừa thép bon cao + Thép hợp kim: có thêm thành phần kim loại khác crôm (Cr), kền (Ni), mangan (Mn), nhằm nâng cao chất lượng thép tăng độ bền, tăng tính chống gỉ Trong xây dựng dùng thép hợp kim thấp với tỷ lệ tổng nguyên tố phụ 2,5% - Theo phương pháp luyện thép: + Luyện lò quay + Luyện lò - Theo mức độ khử ôxy + Thép sôi + Thép tĩnh (thép lặng) + Thép nửa tĩnh (thép nửa lặng) 1-4 1.5.2 Các mác thép dùng xây dựng - Thép cac bon thấp (hàm lượng cacbon 0,22%) cường độ thường (giới hạn chảy fy < 290 N/mm2) Tùy theo yêu cầu sử dụng, thép nhóm chia ra: + Nhóm A: đảm bảo chặt chẽ tính chất học + Nhóm B: đảm bảo chặt chẽ thành phần hóa học + Nhóm C: đảm bảo chặt chẽ tính chất học thành phần hóa học Thép làm kết cấu dùng thép nhóm C Căn yêu cầu độ dai, thép bon thấp chia thành hạng ví dụ hạng khơng cần đảm bảo độ dai đập, hạng phải đảm bảo độ dai va đập cần thiết sau bị hóa già học, hạng phải đảm bảo độ dai va đập nhiệt độ thấp Tiêu chuẩn cho phép dùng xây dựng ba hạng: thép sôi hạng 2, thép nửa tĩnh hạng 6, thép nửa tĩnh có mangan thép tĩnh hạng Các ký hiệu mác thép có ý nghĩa sau: CT có nghĩa bon thường, số sau độ bền kéo đứt (N/mm2), chữ s thép sôi (chữ n nửa tĩnh, thép tĩnh khơng ghi gì) Ví dụ CT38nMn thép bon thường, độ bền kéo đứt 38 N/mm2 có thêm nguyên tố mangan Trong mác thép, hạng thép đươc ghi cuối cùng, ví dụ CT38n2 Thép dung kết cấu thuộc nhóm C nên đầu mác thép có thêm ký hiệu C ví dụ CCT38 - Thép cường độ cao: thép bon thấp mang nhiệt luyện thép hợp kim thấp Giới hạn chảy 3100-4000 daN/cm2, giới hạn bền 4500-5400 daN/cm2 - Thép cường độ cao: gồm loại thép hợp kim có nhiệt luyện, giới hạn chảy cao 4400 daN/cm2 giới hạn bền 5900 daN/cm2 1.5.3 Phân loại kết cấu thép Tuỳ theo đặc tính cấu tạo kết cấu thép phạm vi sử dụng kết cấu thép mà người ta phân loại kết cấu thép theo sơ đồ sau: 1-5 Kết cấu thép Theo phạm vi sử dụng Theo đặc tính kết cấu Kết cấu khung giàn thép Kết cấu thép Kết cấu thép dạng Kết cấu cầu thép Kết cấu nhà khung thép Hình 1.2: Phân loại kết cấu thép xây dựng 1-4 Kết cấu thép cho xây dựng dân dụng hạ tầng Kết cấu thép xây dựng cơng trình ngầm CHƢƠNG TÍNH CHẤT CƠ LÝ VÀ QUI CÁCH THÉP XÂY DỰNG 2.1 Thép xây dựng chịu kéo Sự làm việc chịu kéo dạng làm việc thép, đặc trưng cho chịu lực thép tải trọng Qua nghiên cứu làm việc chịu kéo thép, ta có đặc trưng học chủ yếu thép ứng suất giới hạn, biến dạng giới hạn, mô đun đàn hồi a Biểu đồ ứng suất – biến dạng chịu kéo Kéo mẫu thép (vng trịn) mềm mác CCT38 tải trọng tĩnh tăng dần vẽ đồ thị mối quan hệ ứng suất σ biến dạng tỉ đối ε, ta biểu đồ kéo thép Trục tung biểu thị ứng suất σ = P/A kN/cm2; trục hoành biểu diễn biến dạng tỉ đối ε = Δl/l, % A, l tiết diện chiều dài ban đầu mẫu, Δl độ dãn dài ứng với cấp độ tải trọng Hình 1.1 Biểu đồ kéo thép cac bon thấp Đồ thị gồm đoạn sau: Đoạn từ O đến A tương ứng với ứng suất từ đến khoảng 2000 daN/cm2 đường thẳng Trong giai đoạn này, ứng suất biến dạng có quan hệ tuyến tính, vật liệu làm việc tuân theo định luật Hook σ = E.ε, mơ đun đàn hồi E hệ số góc đường thẳng OA Đối với thép bon thông thường, E = 2,06.106 daN/cm2 Giai đoạn gọi giai đoạn tỷ lệ, ứng suất tương ứng với điểm A gọi giới hạn tỷ lệ σtl Bên điểm A chút điểm A’, đường thẳng cong đi, khơng cịn giai đoạn tỉ lệ thép làm việc đàn hồi nghĩa biến dạng hoàn toàn khơng cịn tải trọng Ứng suất ứng với điểm A’ gọi giới hạn đàn hồi σđh (ứng với biến dạng dư tương đối khoảng 0,05%) giới hạn vùng làm việc đàn hồi thép Thực tế, σđh khác với σtl nên nhiều người ta đồng hai giai đoạn làm việc Đoạn A’B đường cong rõ rệt Thép không cịn làm việc đàn hồi Mơ đun đàn hồi E giảm dần đến điểm B ứng với ứng suất chừng 2400 daN/cm2 Giai đoạn gọi giai đoạn đàn hồi dẻo Giai đoạn BC đoạn nằm ngang gọi giai đoạn chảy dẻo Biến dạng tăng ứng suất không đổi Đoạn năm ngang ứng với biến dạng ε = 0,2% đến 2,5% gọi thềm chảy Ứng suất tương ứng với giai đoạn chảy dẻo gọi giới hạn chảy σc Nếu điểm C mà ta bỏ tải trọng, biểu đồ giảm tải theo đường CO’song song với đường gia tải đàn hồi, thép có biến dạng dư OO’ Đoạn CD, giai đoạn chảy (quá trị số biến dạng ε = 2,5% CCT38), thép khơng chảy lại chịu lực Thép gia cường nên giai đoạn gọi giai đoạn củng cố Quan hệ ứng suất – biến dạng đường cong thoải, biến dạng tăng nhanh theo kiểu biến dạng dẻo Mẫu thép bị thắt lại, tiết diện thu nhỏ bị kéo đứt ứng với ứng suất điểm D khoảng 4000 daN/cm2 CCT38 Ứng suất gọi giới hạn bền Biến dạng lúc kéo đứt lớn ε = 20% đến 25% Cơ chế làm việc thép giải thích cấu trúc hạt thép cấu trúc tinh thể hạt ferit Hạt ferit gồm tinh thể với mạng nguyên tử đặn có khuyết tật (gọi biến vị) Những biến vị làm cho phần tinh thể ferit chịu lực dễ bị trượt tương Thép gồm hạt ferit với mạng peclit cứng nên cường độ thép cao nhiều so với ferit nguyên chất Trong giai đoạn chịu lực trước giới hạn tỷ lệ, biến dạng thép biến dạng hồi phục mạng nguyên tử Sau đó, số hạt ferit có biến vị, xuất trượt; biến dạng tăng nhanh ứng suất (giai đoạn đàn hồi – dẻo) Ứng suất tăng nữa, trượt hạt riêng lẻ phát triển thành đường trượt làm thép bị biến dạng lớn với ứng suất không đổi, tạo nên thềm chảy Sau giai đoạn chảy, mạng peclit xung quanh tinh thể ferit bắt đầu ngăn cản biến dạng tinh thể này; đường trượt phải cắt qua mạng peclit Do phải tăng thêm ứng suất, tương ứng với giai đoạn củng cố Tiết diện bị thót lại, ứng suất tập trung chỗ thót, thắng lực tương tác nguyên tử thép đứt Hiện tượng thềm chảy có thép cacbon có hàm lượng cacbon từ 0,1 đến 0,3% Nếu cacbon, mạng peclit không đủ để giữ hạt ferit bị trượt Nếu nhiều cacbon, mạng peclit nhiều dày luôn ngăn cản không cho hạt ferit trượt Biểu đồ σ – ε thép cacbon cao (hình 1.3) khơng có thềm chảy: sau giai đoạn đàn hồi, đường cong chuyển sang giai đoạn củng cố Ở loại thép này, giới hạn chảy qui ước lấy ứng với biến dạng dư ε = 0,2% 2.2 Tính chất lý thép xây dựng Biểu đồ kéo thép xây dựng cho ta đặc trưng học chủ yếu thép, qui định tiêu chuẩn mác thép Đó giới hạn tỷ lệ σtl, giới hạn chảy σc, giới hạn bền σb, biến dạng đứt ε0 mô đun đàn hồi Quan trọng giới hạn chảy σc – ứng suất lớn có vật liệu, khơng phép vượt qua (ứng với ε = 0,2%) Tất nhiên với ứng suất làm việc giai đoạn củng cố, kết cấu chưa bị phá hoại bị biến dạng mức, sử dụng Ở trạng thái ứng suất làm việc nhỏ giới hạn chảy σc, thép làm việc đàn hồi đàn hồi dẻo, với biến dạng nhỏ nên giả thuyết sức bền vật liệu áp dụng Tùy thuộc trị số σ, áp dụng lý thuyết tính tốn: - Khi σ < σtl, dùng lý thuyết đàn hồi, với E = const; - Khi σtl < σ < σc, dùng lý thuyết đàn hồi dẻo, với E ≠ const; - Khi σ = σc, dùng lý thuyết dẻo Lý thuyết xét làm việc vật liệu vùng chảy dẻo, với trị số giới hạn ứng suất σc Vật liệu thép tận dụng cao Giới hạn bền σb, gọi cường độ tức thời thép, xác định vùng an toàn dự trữ trạng thái làm việc trạng thái phá hoại Đối với thép giới hạn chảy σb trị số giới hạn cho ứng suất làm việc, nhiên chia cho hệ số an toàn tương ứng Ngay với thép cacbon thấp, có thềm chảy, mà kết cấu phép có biến dạng lớn, người ta lấy ứng suất làm việc vượt σc giới hạn bền σb chia cho hệ số an toàn định Biến dạng đứt ε0, đặc trưng cho độ dẻo độ dai thép Đối với thép cacbon thấp, ε0 lớn, tới 200 lần biến dạng làm việc đàn hồi Kết cấu thép có lượng dự trữ an tồn lớn nên nói kết cấu thép khơng bị phá hoại trạng thái dẻo Chỉ phá hoại kết cấu thép chuyển thành giòn, điều mà ta xét điểm Ba trị số σc, σb ε0 ba tiêu mà thép phân nhóm theo tính chất học phải đảm bảo Hình 4.26 Nối thép hình bulơng Hình 4.27 Liên kết thép hình với thép Khi nối đối đầu hai thép có chiều dầy khác cần dùng thêm đệm (hình vẽ 4.25d), số bulơng có đệm cần tăng thêm 10% so với tính tốn b Đối với thép hình Khi liên kết đối đầu, thép hình nối ghép (hình 4.26 b,c,d) nối thép góc (hình4.2.26a) Do thép hình cứng nên dùng ghép không cần tăng số bulông độ lệch tâm ảnh hưởng đến làm việc liên kết Liên kết chồng có cấu tạo đối xứng làm việc tốt (hình 4.27a) Khi thép hình liên kết khơng đối xứng với cấu kiện mềm (4.27b) cần tăng số bulơng lên 10% so với tính toán để kể đến lệch tâm Đối với liên kết bulông cường độ cao chịu tải trọng động rung động để tránh tượng lỏng dần êcu phải dùng êcu phụ để hãm hàn chấm hay làm bẹt số ren 4.2.5.2 Bố trí bulơng Việc bố trí bulơng phải đảm bảo u cầu truyền lực tốt, cấu tạo đơn giản dễ chế tạo Có hai cách bố trí bulơng: bố trí song song (hình 4.28b) bố trí so le (hình 4.28b) Tuỳ theo kích thước thép số lượng bulông mà chọn hai cách cho hợp lý Quy ước sau: bulông nằm đường thẳng gọi đường đinh Các đường đinh nằm song song với phương lực tác dụng dãy đinh vng góc với phương lực gọi hàng đinh Khoảng cách hai bulông cạnh đường đinh gọi bước đinh Hình 4.28 Bố trí bulơng Các khoảng cách quy định để bố trí bulơng đinh tán cấu kiện cho bảng 4.11 Bảng 4.11 Quy định bố trí bulơng đinh tán Khoảng cách trọng tâm hai bulông hay đinh tán theo phƣơng bất kỳ: a) nhỏ - Đối với bulông 2,5d - Đối với đinh tán 3d b) lớn nhất: đường định biên khơng có thép góc viền đối 8d hay 12t với cấu kiện chịu nén kéo (hình 4.35a,b) c) lớn nhất: đường đinh biên có thép góc viền - cấu kiện chịu kéo hình 4.35c - cấu kiện chịu nén hình 4.35d 16d hay 24t 12d hay 18t Khoảng cách từ trọng tâm bulông hay đinh tán đến biên cấu kiện a) nhỏ dọc theo lực 2d b) nhỏ vng góc với lực: - mép thép bị cắt - mép thép cán 1,5d 1,2d c) lớn 4d hay 8t d) nhỏ nhất: bulông cường độ cao mép hướng 1,3d thích: d - đường kính lỗ bulơng t - chiều dầy mỏng Các khoảng cách nhỏ nhằm đảm bảo độ bền thép không gian tối thiểu để vặn êcu (hoặc để tán đinh) Các khoảng cách lớn để đảm bảo ổn định phần thép hai bulông (đối với cấu kiện chịu nén) độ chặt liên kết, tránh không cho nước, hơi, bụi bẩn lọt vào liên kết gây ăn mòn thép Đối với liên kết chịu lực nên bố trí bulơng theo khoảng cách nhỏ để liên kết gọn đỡ tốn thép 4.2.5.3 Phương pháp xiết bulông thường bulông cường độ cao a Bulông thƣờng Được xiết chặt để đảm bảo có tiếp xúc tốt bề mặt, không cần khống chế lực xiết Đủ chặt công nhân dùng clê cán dài thông thường (khoảng 300mm), dùng máy xoay đập máy bắt đầu đập b Bulơng cƣờng độ cao (bulông lực xiết khống chế): cần xiết với toàn lực căng P quy định Các phương pháp khống chế lực xiết là: - Phương pháp dùng clê đo lực, có đồng hồ cho biết mơ men xoắn, từ có bảng để tra lực căng bulông Bảng số dựa sở công thức sở định chuẩn qua thực nghiệm Giá trị mơmen xoắn cần thiết tính theo cơng thức sau: M = k.P.d Trong đó: M - Mô men xoắn; N.m P - lực căng bulơng, kN d - đường kính bulơng, mm k - hệ số xác định thí nghiệm, vào khoảng 0,2 Nói chung, phương pháp nhanh rẻ khơng xác có nhiều ngun nhân ảnh hưởng đến ngẫu lực xoắn không lực xiết: chất lượng độ xác ren, chất lượng êcu, mức độ bôi trơn, ma sát êcu mặt thép, tính đàn hồi tay đòn clê đo lực… Clê phải định chuẩn hàng ngày kích thuỷ lực, dùng với bulơng đường kính khác - Phương pháp quay thêm êcu: Mới đầu dùng clê xiết chặt đến mômen xoắn khoảng 40; 60 70% lực kéo cần thiết P bulơng Sau tăng lực kéo cách vặn tiếp êcu góc tương ứng 1200; 900 600 so với vị trí ban đầu Khi vặn cần đánh dấu vị trí ban đầu vị trí sau vặn thêm êcu Phương pháp cho độ xác cao so với phương dùng clê đo lực, đảm bảo lực căng bulông - Phương pháp đo trực tiếp: dùng vịng đệm cứng, hình dạng đặc biệt, có mấu lồi (hình 4.29) xiết êcu mấu bẹt làm giảm khoảng cách êcu vòng đệm; đo khoảng cách này, biết lực căng Khi sử dụng phương pháp này, phải tuân thủ kỹ quy trình lắp đặt hãng chế tạo Hình 4.29 Vịng đệm có mấu lồi ngun tắt xiết bulơng 4.2.6 Tính tốn liên kết bulơng 4.2.6.1 Tính liên kết bulơng chịu lực dọc trục a Chọn đƣờng kính bulơng kích thƣớc thép Cấu tạo liên kết hình 4.30 Các liên kết cấu kiện nên dùng loại đường kính bulơng Trong phạm vi tồn cơng trình để đỡ phức tạp nên hạn chế tối đa bulơng có đường kính khác Trong cơng trình thơng thường nên dùng bulơng đường kính d = 20 - 24mm, cơng trình nặng nên dùng bulơng có d = 24 - 30mm Hình 4.30 Liên kết bulơng chịu lực trượt Kích thước ghép chọn cho: Abg ≥ A (4.26) Trong đó: Abg - tổng diện tích tiết diện ngang ghép; A - diện tích tiết diện cấu kiện liên kết Chiều rộng dài ghép lấy theo điều kiện bố trí đủ số bulơng cần thiết Nên bố trí số bulơng theo hàng tối đa để truyền lực theo chiều ngang cấu kiện (vng góc với phương lực) b Tính tốn số lƣợng bulông theo chịu cắt ép mặt Đối với bulông thô, bulông thường bulông tinh, số lượng bulông cần thiết tính theo cơng thức: n N (4.27) N min b c Nminb - giá trị nhỏ hai giá trị Nvb xác định theo (4.20) Ncb xác định theo (2.22) c - hệ số điều kiện làm việc kết cấu Ngược lại với toán thiết kế, toán kiểm tra bền, số bulông n biết nên công thức kiểm tra bền liên kết có dạng: N N min b c n (4.28) Sau có số bulơng cần thiết n theo (4.27) bố trí chúng theo yêu cầu cấu tạo Cấu kiện bị giảm yếu lỗ bulông, nên cần kiểm tra bền thép theo công thức: N f b1 An (4.29) Trong đó: An - diện tích tiết diện thực thép lấy sau: - Đối với bulông thô, bulông thường bulông tinh: Hình 2.31 Kiểm tra bền thép Khi bulơng bố trí song song (hình 4.31), tiết diện kiểm tra tiết diện -1; An = A - A1, A1 = mtd1 diện tích giảm yếu lỗ bulông gây ra, với m số lượng lỗ hàng bulông, t - chiều dày cấu kiện mỏng nhất, d1 đường kính lỗ bulơng + Khi bố trí bulơng dạng sole diện tích giảm yếu lấy trị số lớn hai trị số sau (hình 4.32a): Giảm yếu lỗ xếp đường thẳng - Tổng diện tích ngang lỗ nằm đường chữ chi - - - - trừ lượng s2t/(4u) cho đoạn đường chéo lỗ; đó: s - bước lỗ so le, tức khoảng cách song song với phương lực tâm lỗ hai đường liên tiếp nhau; t - bề dầy thép có lỗ; u - khoảng đường lỗ, khoảng cách vng góc với phương lực tâm lỗ hai đường liên tiếp - Đối với thép góc có lỗ hai cánh khoảng đường lỗ u tổng khoảng cách từ tâm lỗ đến sống thép góc, trừ bề dày cánh (hình 4.32b) Hình 4.32 Cách xác định diện tích thực b1 - hệ số điều kiện làm việc, cho phép kể đến làm việc dẻo liên kết lấy sau: dầm đặc, cột nối b1 = 1,1; kết cấu mái sàn b1 = 1,05 (hệ số b1 phải kể đến đồng thời với hệ số điều kiện làm việc kết cấu) Đối với bulông cường độ cao số lượng bulơng cần thiết tính theo cơng thức sau: na N [ N ] tb c Trong đó: (4.30) Ntb - khả chịu lực trượt bulơng tính theo cơng thức (4.24) Kiểm tra bền thép bị giảm yếu lỗ bulông tiến hành theo (4.29) phần lực trượt tiếp nhận lực ma sát nên cách lấy diện tích tính tốn An có khác đi: + Khi chịu tải trọng tĩnh An = A An ≥ 0,85A; An < 0,85A tính theo diện tích quy ước Ac = 1,18An + Khi tải trọng động: dùng An để tính tốn + Khi tính lấy b1 = liên kết bulơng cường độ cao khơng làm việc đàn dẻo 4.2.6.2 Tính tốn liên kết bulơng chịu kéo Khi liên kết bulông làm việc chịu kéo (hình 4.32) số lượng bulơng cần thiết n tính theo công thức: n N [ N ] tb c (4.31) Trong đó: N - lực kéo tác dụng vào liên kết; Ntb - khả chịu kéo bulông c - hệ số điều kiện làm việc kết cấu Trong toán kiểm tra bền, số lượng bulông n biết nên công thức kiểm tra có dạng: N N tb . b n (4.32) Khi bulông chịu cắt kéo đồng thời, độ bền chúng kiểm tra riêng rẽ theo cơng thức (4.28) (4.32) 4.2.6.3 Tính tốn liên kết bulông chịu mômen lực cắt Các mối liên kết bulơng chịu mơmen thơng thường có cấu tạo bề cao vùng liên kết (khoảng cách hai dãy bulơng ngồi cùng) lớn nhiều so với bề rộng vùng liên kết (khoảng cách hai hàng bulơng ngồi cùng) (hình 4.33) Với cấu tạo vậy, gần tính tốn coi mô men cân với tổng cặp ngẫu lực tác dụng lên dãy đinh nằm đối xứng qua trục liên kết (hình 4.33b) M = Nili = N1l1 + N2l2 + + Nili+ , Trong Ni - lực tác dụng lên dãy đinh thứ i; li - cánh tay đòn cặp ngẫu lực Ni (4.33) Hình 4.33 Liên kết bulơng chịu mơmen lực cắt Các lực Ni tính qua N1 tác dụng lên dãy đinh ngồi Ni N 1l i l1 N thay giá trị Ni vào 42.33) ta có: M l12 l 22 l i2 . l1 từ xác định lực lớn N1: N N max M l max l i (4.34) Trong đó: lmax - khoảng cách hai dãy bulơng ngồi cùng, lmax = l1 Gọi số lượng bulông dãy phía liên kết m, ta có lực lớn tác dụng lên bulông M gây ra: N blM N max M l max m m l i2 (4.35) Điều kiện bền: N blM M l max m l i2 N min b c (4.36) Trong đó: Nminb - giá trị nhỏ hai khả chịu cắt ép mặt bulơng tính theo 42.20) (4.22) Đối với bulơng cường độ cao Nminb = Nb tính theo công thức (4.24) Khi liên kết bulông chịu đồng thời mô men uốn M lực cắt V (hình 4.33), tính tốn coi lực cắt tác dụng lên bulông với giá trị: N blV V n (4.37) Trong đó: n - số lượng bulơng nửa liên kết hình 4.33 Cơng thức kiểm tra bền bulông tác dụng đồng thời M V có dạng 2 N bl N blM N blV N min b c (4.38) Khi thiết kế nên bố trí trước số bulông theo phương bề rộng cấu kiện (theo số lượng tối đa có thể) để xác định khoảng cách li Từ tính giá trị Nmax tìm sơ số bulơng cần thiết dãy: m N max N min b (4.39) Khi có lực cắt V tác dụng đồng thời với M nên chọn trước số bulông dư để dự trù cho phần tác dụng V 4.2.6.4 Ký hiệu bulông, đinh tán vẽ Quy định ký hiệu lỗ, bulông đinh tán vẽ nêu bảng 4.12 Bảng 4.12 Ký hiệu bulông, đinh tán Dạng bulơng Ký hiệu Dạng bulơng Lỗ trịn Bulơng cố định (thô, thường, tinh) Lỗ ôvan Bulông tạm (thô, thường, tinh) Đinh tán mũ cầu Bulông cường độ cao Ký hiệu Để đơn giản hình vẽ, kết cấu có nhiều lỗ bulơng loại đường kính chúng ghi chung phần thích Hình 4.34 Liên kết hai thép dùng bulơng thơ Hình 4.35 Bố trí bulơng cường độ cao 4.3 Liên kết đinh tán 4.3.1 Cấu tạo đinh tán liên kết đinh tán Đinh tán đoạn thép tròn, đầu tạo mũ sẵn, đầu tán thành mũ lắp đinh vào liên kết (hình 4.36) Hình 4.36 Các loại đinh tán Vật liệu làm đinh loại thép dẻo CT2, CT3 (để dễ tán khỏi hỏng thép bản) thép hợp kim thấp 09Mn2 (khi thép hợp kim thấp) Đường kính đinh nhỏ đường kính - 1,5 mm Đường kính gọi tên đường kính lỗ đường kính tính tốn d Thường dùng đinh tán có đường kính d 17; 19; 21; 23; 25 28,5mm Đinh tán phân loại theo hình dạng cua rmũ đinh Đinh có mũ dạng bán cầu (hình 4.36a) dùng nhiều Đinh đầu chìm (hình 4.36b) nửa chìm (hình 4.36c) dùng khơng gian chỗ liên kết chật hẹp, mũ đinh nằm chìm phần thép (có lỗ hình nón cụt) Đinh đầu cao (hình 4.36d) dùng tổng chiều dầy thép t ≥ 5d 4.4.2 Phương pháp tạo lỗ đinh tán Cách tạo lỗ đinh tán thép giống bulơng Đinh tán có nhóm C đinh có lỗ tạo cách đột khoan khơng có khn mẫu Đinh tán nhóm B có lỗ khoan đột trước, khoan tiếp đến đường kính thiết kế theo khn mẫu Cường độ tính tốn chịu cắt ép mặt đinh tán nhóm B cao nhóm C chất lượng lỗ tốt (bảng 4.13) Bảng 4.13 Cường độ tính tốn đinh tán Trạng thái ứng suất loại lỗ đinh tán Cắt, B Ký hiệu fvđ Cắt, C ép mặt, B fcđ ép mặt, B Kéo (giựt đứt ftđ đầu đinh) Cường độ tính tốn daN/cm2 Cắt kéo đinh tán từ ép mặt cấu kiện liên kết làm từ loại thép loại thép CT2; CT3 09Mn2 CCT34 CCT38 CCT42 CCT52 1800 2200 - - - - 1600 - - - - - - - 4200 5200 5800 6800 - - 3800 - - - 1200 1500 - - - - Khi tán, nung nóng đinh đến nhiệt độ khoảng 700 - 8000C, cho đinh vào lỗ, tì chặt đầu có mũ sẵn đầu dùng búa tán thành mũ Q trình tán nóng tạo nên số đặc điểm sau: - Khi tán, thân đinh phình lấp kín lỗ Khi nguội, đinh co lại làm thành khe hở nhỏ so với thành lỗ khoảng 0,05 - 0,20mm Khe nhỏ liên kết chặt Khi liên kết dày t > 5d dùng đinh đầu cao để tán hai phía, vật liệu dồn từ hai đầu đinh vào nên lỗ lấp kín - Khi nguội thân đinh co lại bị thép giữ nên thân đinh chịu kéo, ngược lại thép bị xiết chặt làm tăng lực ma sát chúng, liên kết chặt (khác với liên kết bulơng, lực xiết tập q trình vặn êcu tạo nên) - Đinh tán nung nóng nguội dần giống q trình gia cơng nhiệt nên tính dẻo vật liệu tăng lên, liên kết có độ dai lớn Tính chặt dai liên kết đinh tán làm chúng có khả chịu đựng tốt tải trọng nặng, tải trọng động rung động Phương pháp tán nguội (khơng nung nóng đinh) dùng cho loại đinh có đường kính nhỏ Đinh tán lấp kín lỗ (do không bị co lại) lực xiết ban đầu nhỏ Phương pháp thường dùng khí, đinh kim nhơm 4.3.3 Các hình thức liên kết đinh tán Liên kết đinh tán có hình thức cấu tạo giống liên kết bulơng; liên kết ghép chồng liên kết đối đầu có ghép 4.3.4 Sự làm việc cách tính liên kết đinh tán a Sự làm việc đinh tán chịu cắt ép mặt Khi chịu tác dụng lực dọc trục (hình 4.30) liên kết đinh tán làm việc giống liên kết bulông, ngoại lực đủ thắng lực ma sát thép có trượt đối chúng Thân đinh tì sát vào thành lỗ (hình 4.22b) Liên kết bị phá hoại cắt ngang thân đinh (hình 4.23) ép mặt (bản thép bị trượt, hình 4.24) Khả chịu cắt đinh tán tính theo cơng thức d [ N ] vd n v f vd (4.41) Khả chịu ép mặt (quy ước) đinh tán: Ncđ = d(t)minfcđ (4.42) Trong đó: d - đường kính đinh; fvđ, fcđ - cường độ tính tốn chịu cắt ép mặt đinh tán lấy theo bảng 2.13 phụ thuộc vật liệu làm đinh, vật liệu thép cách gia cơng lỗ nv - số mặt cắt tính toán đinh tán phụ thuộc số lượng thép liên kết (giống liên kết bulông) (t)min - tổng chiều dày nhỏ thép trượt phía Khi thiết kế, số lượng đinh tán cần thiết n tính theo công thức n N (4.43) [ N ] c Trong đó: Nminđ - khả chịu lực nhỏ hai giá trị Nvđ Ncđ; N - nội lực liên kết; c - hệ số điều kiện làm việc kết cấu Kiểm tra bền liên kết đinh tán giống bulông theo công thức (4.28), (4.29) Khi kiểm tra bền thép bị giảm yếu lấy đt = b Sự làm việc liên kết đinh tán chịu kéo Đinh tán làm việc chịu kéo lực tác dụng song song với thân đinh (hình 4.31) Đinh bị phá hoại ứng suất thân đinh cường độ tính tốn chịu kéo vật liệu làm đinh (hiện tượng giựt đứt đầu đinh) Khả chịu kéo đinh tán tính theo cơng thức: d [ N ] td n v Trong đó: f td ftđ - cường độ chịu kéo vật liệu đinh tán lấy theo bảng 4.13 ... công bề mặt Theo Theo Theo M Theo Theo M Theo Theo M Theo M Theo 0,58 0,58 0,5 0,5 0,42 0,42 0,35 1, 35 1, 2 1, 35 1, 2 1, 35 1, 2 1, 35 1, 12 1, 02 1, 12 1, 02 1, 12 1, 02 1, 17 0,35 0,25 0,25 1, 2... dụng kết cấu thép mà người ta phân loại kết cấu thép theo sơ đồ sau: 1- 5 Kết cấu thép Theo phạm vi sử dụng Theo đặc tính kết cấu Kết cấu khung giàn thép Kết cấu thép Kết cấu thép dạng Kết cấu. .. 2,54 1, 92 3 ,14 2,45 3,80 3,03 4,52 3,52 5,72 4,59 7,06 5,60 10 ,17 13 ,85 8 ,16 11 ,20 19 16: 19 95d, mm 2, 01 1,57 18 ,09 14 ,72 4.2.3 Sự làm việc chịu trượt liên kết bulông cường độ cao Trong liên kết