Chuyên đề thép kết cấu thép ứng suất trước

Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Page 1 KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Bài 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 Bản chất và hiệu quả của phương pháp ứng suất trước - Tạo trong kết cấu ứng suất ngược với ứng suất do tải trọng gây ra. Mục đích: + Tăng khả năng chịu lực của kết cấu ( giảm chi phí vật liệu) + Giảm biến dạng cuối cùng của kết cấu. Ví dụ: Dây căng thép cường độ cao Sơ đồ và sự làm việc của thanh tổ hợp ứng suất trước  Về mặt chịu lực: Xét thanh tổ hợp chịu kéo: K 1 K K 2 P 0 0 1 0 2 R 1 R 2 l P A 2 A 1 Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Page 2 - Khả năng chịu lực của thanh : + Chưa có ứng suất trước: đoạn OK, lực kéo đạt đến cường độ tính toán của vật liệu R 1 : P 1 = A 1 .R 1 + Khi thanh có ứng suất trước, khả năng chịu lực của thanh là: P 2 = A 1 (R 1 + ). Trong đó: A 1 diện tích tiết diện các thanh Nhận xét: P 2 > P 1 - Nếu đồng thời ứng suất trong dây căng đạt đến cường độ tính toán của vật liệu thì giới hạn bền của thanh là: P 2 = A 1 .R 1 + A 2 .R 2 P 2 = A 1 .R 1 (1 + ) Trong đó: A 2 : diện tích tiết diện dây căng. ; (1 + hệ số tăng khả năng chịu lực của kết cấu ứng suất trước. Thường = (4 5) lần nhưng giá thành thép cường độ tăng khoảng (2,5 3) lần so với thép thường. Dùng kết cấu ứng suất trước tiết kiệm vật liệu, giá thành kết cấu ứng lực trước thấp hơn so với kết cấu thường.  Về mặt biến dạng: Khi tạo ứng suất trước , thanh có biến dạng ngược Khi chịu tải trọng, biến dạng thanh triệt tiêu biến dạng ban đầu , sau đó mới xuất hiện biến dạng do tải trọng gây ra do đó biến dạng của thanh sẽ nhỏ đi. P 1 P 2 0 | | - P K K 1 Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Page 3 1.2. Các phương pháp tạo ứng suất trước. 1. Dùng dây căng bằng thép cường độ cao. - Năng lượng của dây căng trước được tích lũy trong thanh cứng (thanh cũng được UST) và gây nên ứng suất ngược dấu với ứng suất do tải trọng gây ra. Khi chịu tải trọng cả dây căng và tải trọng cùng làm việc. Sử dụng: dầm, dàn, khung 2. Dùng phương pháp chuyển vị cưỡng bức gối tựa. P P PP M 0 M 0 3 2 1 Trong các kết cấu siêu tĩnh( dầm, dàn, khung, vòm) gây chuyển vị cưỡng bức gối tựa có thể tạo nên ứng suất trước nhằm điều chỉnh hợp lý nội lực trong kết cấu. 3. Gây ứng suất kéo trước các cấu kiện mãnh để tạo độ cứng cho chúng. P 1 0 =0 0 =0 a N=P 1 /2cos a P 1 N=P 1 /4cos a 0 | | P P 1 P 2 E 1 E 2 Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Page 4 Các cấu kiện mãnh như cáp, thép tấm, bó sợi, thép thanh thường chỉ chịu được lực kéo và không có khả năng chịu nén nhưng nếu cho chúng chịu kéo trước thì các kết cấu này có thể chịu được lực nén trong giới hạn triệt tiêu lực kéo ban đầu. H.a: chỉ có thanh kéo làm việc H.b: cả thanh kéo và thanh nén cùng làm việc. Nội lực trong thanh chịu kéo giảm đi 2 lần. 4. Phương pháp gây biến dạng đàn hồi các bộ phận kết cấu. Khi kiểm tra thì chỉ cần kiểm tra khả năng chịu nén của thép vì bản thân thép chịu kéo rất tốt, tấm thép chịu kéo làm tăng ổn định thanh cánh trên. Bài 2: VẬT LIỆU, CẤU TẠO CỦA DÂY CĂNG VÀ BỘ PHẬN NEO. 2.1 Cấu tạo của vật liệu dây căng. 1. Cáp thép: a) b) c) d) a) Cáp một bó sợi; b) Cáp 7 bó ( các bó có đường kính như nhau); c) Cáp 7 bó (các bó có đường kính khác nhau); d) Cáp bọc lò xo Tấm Tấm a) b) + σ 0 + σ 0 + σ 0 - σ 0 Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Page 5 - Cáp thép được bện từ sợi thép cường độ cao có đường kính 0.4 ÷ 6 mm + Xây dựng dân dụng: đường kính sợi 1,5mm + Xây dựng cầu đường: đường kính sợi - Các sợi thép có thể để sáng hoặc mạ kẽm. 2. Dây căng là bó sợi cường độ cao. - Dây gồm các sợi thép cường độ cao có đường kính từ 3 8mm, thường dùng 3 5mm. Các sợi thép bố trí song song có thể tạo thành tiết diện hình ống. 3. Thanh căng là thép tròn, đặc. - Thanh căng thường làm bằng thép gia công nhiệt, đường kính 10 40mm. Ưu điểm: rẻ, cấu tạo đơn giản, dễ bảo vệ chống ăn mòn. Nhược điểm: chiều dài hạn chế ( 15m), khi hàn tăng chiều dài thì giảm cục bộ độ bền của thép. 2.2. Bộ phận neo: Neo dùng để giữ dây căng, liên kết dây căng với thanh cơ bản để đảm bảo liên kết giữa chúng, tùy loại dây căng, tùy độ lớn của lực trong dây căng mà dùng các loại neo khác nhau. 1. Neo cốc: 45° d 2d 3.5d 4.5÷5d 1 2 3 Hình: Neo cốc dùng cho cáp 1) Cốc; 2) Ốc tựa(gối); 3) Cáp - Ưu điểm: có độ tin cậy cao khi làm việc - Nhược điểm: chế tạo phức tạp 2. Neo chêm: - Với bó sợi cường độ cao dùng neo chêm vỏ trụ thép, trong có lỗ hình nón có các rãnh. - Khi căng, sợi thép được đặt vào các rãnh, đặt chêm vào vỏ neo, dùng kích 2 chiều kéo dây và ép chêm để kẹp chặt sợi thép. Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Page 6 b) a) Hình: Neo chêm dùng cho bó sợi cường độ cao. a) Vỏ neo; b) Chêm. 3. Neo bằng đai ốc: d 1 d t 3 150 t 2 1 2 3 4 5 Hình: Neo của thanh căng bằng thép tròn đặc 1) thanh căng; 2) đoạn thép tròn có ren; 3) êcu; 4) tấm gối; 5) kết cấu Dùng cho thanh căng là thép tròn đặc, phần đầu thanh có ren vặn êcu, để tránh giảm yếu cho thanh căng thanh được hàn đối đầu với thép tròn có d 1 >d, ren được làm trên đoạn thép này. 4. Neo bằng thép ống dập: Dùng cho thanh có gai đường kính 16mm hoặc cáp 7 bó đường kính 15mm. - Ưu điểm: giá thành rẻ, thi công nhanh. Bài 3: DẦM ỨNG SUẤT TRƯỚC 3.1 Dầm ứng suất trước bằng dây căng (thanh căng): Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Page 7 1. Cách bố trí dây căng và cấu tạo tiết diện dầm: a. Bố trí dây căng: a) b) c) d) e) Bố trí dây căng trong dầm đơn giản ứng suất trước. a) b) Bố trí dây căng trong dầm liên tục ứng suất trước. Trong dầm ULT dây căng được bố trí ở gần cánh chịu kéo, có dạng thẳng hoặc gãy khúc. Dầm đơn giản:  Dây căng được bố trí ở khoảng giữa nhịp, nơi có mô men uốn lớn (H.b) Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Page 8  Với dầm chịu tải trọng đổi dấu, rung động không nên bố trí neo trong nhịp vì dễ phá hoại dòn, ứng suất tập trung bố trí neo ở 2 đầu nút dầm.  Có thể bố trí dây căng dạng gãy góc. Ví dụ: hình c,d tạo ứng suất trước có giá trị thay đổi theo chiều dài dầm.  Sử dụng thanh chống, tạo phản lực làm giảm tải trọng  Khi nhịp lớn có thể bố trí nhiều nhanh dây căng chùm nhau ở giữa dầm (h.e)  Trong các trường hợp trên, để đảm bảo ổn định khi ứng suất trước cánh dưới được liên kết với dây căng qua các mấu giữ.  Dây căng càng xa trọng tâm tiết diện, hiệu quả ứng suất trước càng lớn, tuy nhiên khó cấu tạo liên kết neo và mấu giữ. Dầm liên tục: dây căng có thể bố trí ở những nơi có mô men gây kéo khá lớn(h.a). Để giảm số lượng neo, dây căng được bố trí cong liên tục( bố trí theo biểu đồ M, h.b). b. Cấu tạo tiết diện dầm ULT: c h 1 h 2 h x x a) b) c) d) e) Hình: Các loại tiết diện dầm ứng suất trước Thường có dạng không đối xứng, cánh nhỏ nằm ở phía có dây căng. c. Cấu tạo dây căng và neo: - Dây căng: cáp bện, bó sợi cường độ cao, thép thanh: giữ bằng êcu - Phương pháp căng: căng bằng kích: neo cốc, neo chêm hoặc căng bằng đốt nóng điện Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Page 9 1 3 2 2 a) b) c) 2 l d ' l d ?l 1) thanh căng; 2) bản gối; 3) mấu hàn sẵn. Hai đầu thanh được hàn sẵn vào 2 bản gối, chiều dài ban đầu thanh là l d , một đầu thanh được hàn trước với cánh dầm, đốt nóng thanh dài thành l d ’ , hàn đầu còn lại vào cánh dầm, thanh biến dạng dài là: Khi thanh nguội lại, nó không co vào được và gây ứng suất trước trong dầm. d. Xác định khoảng cách các mấu giữ để liên kết dây căng vào cánh dưới. l' l' l' l' l Khoảng cách l’ giữa các mấu giữ được xác định theo điều kiện ổn định cánh dưới khi chịu nén do ứng suất trước. Trong đó: hệ số uốn dọc cánh dưới, xác định theo độ mãnh cánh dưới với trục thẳng đứng ứng với chiều dài l’. X: lực căng trong dây Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Page 10 c: khoảng cách từ trọng tâm dây căng đến trọng tâm tiết diện dầm. A: diện tích tiết diện dầm W: mô men kháng uốn thớ ngoài trục cánh dưới lấy với trục X. n 1 : hệ số độ tin cậy ứng suất trước( hệ số vượt tải ứng suất trước) lực căng trước X trong dây căng là: 2.Tính toán dầm ứng suất trước: I: giai đoạn UST II: giai đoạn chịu tải trọng a. Kiểm tra bền lên dầm Ứng suất trước. Xét dầm như hình vẽ, khảo sát sự làm việc của dầm trong giai đoạn đàn hồi tại tiết diện có M max , có 2 giai đoạn như sau: - Giai đoạn I: khi tạo ứng suất trước thì lực căng X trong dây gây ra UST trong dầm: Trong đó: A: diện tích tiết diện ngang dầm + - - + + - - + ∑σ = R ∑σ = R X.X 1 X 1 X σ 01 σ 02 σ p σ 1 σ 2 c [...]... cho dàn ng nặng Page 20 Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Dây căng bố trí nhiều nhánh: Hình a,b, dàn nặng Hình a,b,c dùng cho dàn nhẹ 3 Chi tiết neo: a Mắt gối: b Mắt trung gian 4.2 Tính toán dàn ứng suất trước: 1 Dàn ứng suất trước từng thanh riêng lẻ: Cách tính gần giống dàn không ứng suất trước, các thanh ứng suất tính như cấu kiện chịu kéo 2 Dàn có dây căng ứng suất trước nhiều thanh Tính... tăng khả năng chịu lực của dầm ứng suất trước: Nhận xét: nếu k tăng thì σ0 tăng và 2.Wo/W giảm Thường k = 1.17 2 có thể tiết kiệm từ 4 7.5% thép so với dầm thường Bài 4: DÀN ỨNG SUẤT TRƯỚC 4.1 Các biện pháp cấu tạo Page 18 Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC 1 Cách bố trí dây căng Hình: Sơ đồ bố trí dây căng trong dàn Trong dàn ứng suất trước, dây căng làm bằng thép có cường độ cao, sơ đồ dàn... ứng suất trước để san đều Momen người ta còn tạo ứng suất trước để tập trung nội lực tại gối, giảm Momen nhịp bằng cách cho các gối tựa chuyển vị lên trên tiết diện tại gối được tăng kích thước hoặc dùng thép cường độ cao tiết kiệm được 28% 30% thép với dầm 2 nhịp 3.3 Dầm tổ hợp ứng suất trước bằng cách gây biến dạng đàn hồi của các phân tố 1 Phương pháp tạo ứng suất trước Page 16 Chuyên đề Thép: KẾT.. .Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC y: khoảng cách từ trọng tâm tiết diện dầm đến thớ tính ứng suất - Giai đoạn II: dầm chịu tải trọng cho đến khi thớ biên đạt đến cường độ tính toán R Trong khi căng nảy sinh thêm tự ứng lực X1, lực X1 gây ra ứng suất trong tiết diện dầm: Các ứng suất này ngược dấu với ứng suất do tải trọng gây ra Công thức kiểm tra... 19 Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Chú ý: Để đảm bảo ổn định cánh dưới ( không liên kết được dây căng với mấu giữ) chỉ gây ứng suất trước sau khi lắp đặt giằng vào vị trí hoặc căng từng cặp 2 lần sau khi liên kết dàn (h.d) hoặc dùng dàn không gian 2 Tiết diện thanh dàn: Giống tiết diện dàn thường Hình: Tiết diện dàn nhẹ 1) thanh dàn; 2) dây căng; 3) Đoạn thép ống; 4) Vách cứng; 5) Đoạn thép. .. σ01’ - e) d) σ0 σ’ p - σ’0 + σ’01 d) σ0 - + + + + + c) h) σp e) σ’p - σp - σ’0 + h) + + Hình: Trạng thái ứng suất của dầm - Khi uốn trước với Mu ứng suất tại thớ biên của dầm + Chữ I: + Chữ T ở thớ ngoài: + Chữ T ở thớ trong: Page 17 Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Trong đó: Mu: mô men uốn trước đối với 1 phân tố Jo: mô men quán tính của 1 phân tố đối với trục bản thân của nó -Khi hàn 2 phân... và dây căng = 0,1 0,4 thép thông thường * Diện tích tiết diện dầm: hệ số tự ứng lực M = R.D * Diện tích dây căng: Ad = c Kiểm tra độ võng của dầm ứng suất trước Page 13 Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC độ võng của dầm do tác dụng của tải trọng tiêu chuẩn khi không có dây căng ( tính theo công thức thông thường) : độ võng ngược của dầm do tác dụng của lực căng X, và tự ứng lực X1 trong dây... dầm: + Cánh dưới của dầm khi thành lập ứng suất trước: + Đối với dây căng chịu tải: Trong các công thức trên xem dây căng đặt sát cánh dưới (c = h 2), đối với dầm cao (h>1m) và dây căng đặt gần cánh dưới (0,05 0,1m) giả thiết trên gây sai số không đáng kể n1=1.1; n2=0.9: các hệ số vượt tải khi tính ứng suất trước Page 11 Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC : hệ số điều kiện làm việc ( =1) W1;... pháp tạo ứng suất trước Page 16 Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Sơ đồ thành lập ứng suất trước bằng cách uốn trước - Ứng cong các phân tố trong giới hạn đàn hồi vật liệu sau đó liên kết chúng ở trạng thái uốn cong, khi bỏ tải trọng trong dầm xuất hiện ứng lực trước, khả năng chịu lực của dầm tăng lên 2 Sự làm việc của dầm - trạng thái ứng suất a) b) σ0 + z0 0 h h z0 h0 z0 h0 z0 - + b) σ0... trên và thớ dưới của tiết diện dầm Đặt là hệ số tự ứng lực Ta có: b.Xác định thông số tối ưu của dầm ứng suất trước Tiết diện dầm ứng suất trước được coi là tối ưu khi tại tiết diện đó có Mmax trong giai đoạn chất tải, ứng suất tại cánh trên cánh dưới và trong dây căng đạt đến cường độ tính toán của vật liệu, và trong giai đoạn ứng suất trước, ứng suất cánh dưới đạt đến cường độ tính toán của vật liệu . Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Page 1 KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Bài 1: KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 Bản chất và hiệu quả của phương pháp ứng suất trước - Tạo trong kết cấu ứng. kết cấu ứng suất trước. Thường = (4 5) lần nhưng giá thành thép cường độ tăng khoảng (2,5 3) lần so với thép thường. Dùng kết cấu ứng suất trước tiết kiệm vật liệu, giá thành kết cấu ứng. l 1 Chuyên đề Thép: KẾT CẤU THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC Page 17 Sơ đồ thành lập ứng suất trước bằng cách uốn trước - Ứng cong các phân tố trong giới hạn đàn hồi vật liệu sau đó liên kết chúng