giáo trình kết cấu thép

giáo trình kết cấu thép

LỜI NÓI ĐẦU

Kết cấu thép là môn khoa học nghiên cứu những kiến thức cơ bản về kết cấu, tính toán nội lực, kiểm tra độ bền, độ cứng trong kết cấu; liên kết, từ đó lập các công thức chủ yếu để tính toán các bộ phận của công trình như cầu, dầm, cột, và là nền tảng môn học kỹ thuật khác như: Thiết kế cầu, Xây dựng cầu,

Để phục vụ công tác giảng dạy cho sinh viên, học sinh chuyên ngành Xây dựng cầu đường bộ - Trường Cao đẳng Giao thông vận tải miền Trung chủ trương biên soạn và in ấn Giáo trình Kết cấu Thép

Giáo trình này gồm 6 chương, do ThS Hoàng Đăng Thái, KS Cao Thị Diện, KS Nguyễn Hữu Mạnh cùng phối hợp biên soạn, các chương được phân

công như sau:

ThS Hoàng Đăng Thái: Chương 1,3,5;(chủ biên)

KS Cao Thị Diện: Chương 2,6;

KS Nguyễn Hữu Mạnh: Chương 4.

Giáo trình được biên soạn trên cơ sở CTMH Kết cấu Thép hệ cao đẳng chuyên ngành Xây dựng cầu đường bộ, được Hiệu trưởng Nhà trường phê duyệt năm 2013, bảo đảm tính liên thông dọc, liên thông ngang một cách khoa học Vì vậy nó cũng là tài liệu phục vụ tốt cho công tác giảng dạy của giảng viên, học tập

và nghiên cứu của HSSV các chuyên ngành có liên quan ở hệ cao đẳng, cao đẳng liên thông và Trung cấp chuyên nghiệp Đồng thời, giáo trình này cũng sẽ làm tài liệu tham khảo quan trọng cho cán bộ kỹ thuật trong thực tế khi làm việc với các công trình sử dụng kết cấu thép.

Để đạt được kết quả cao trong giảng dạy môn học này, giảng viên nên áp dụng phương pháp dạy học tích hợp, học lý thuyết kết hợp với làm bài tập

Các tác giả chân thành cảm ơn tập thể cán bộ giáo viên giảng dạy bộ môn Cầu; Kết cấu thép; các môn cơ học của trường đóng góp ý kiến

Tuy đã cố gắng biên soạn, nhưng do trình độ và kiến thức chuyên môn có hạn chắc chắn giáo trình này còn rất nhiều khiếm khuyết Kính mong bạn đọc đóng góp ý kiến để lần tái bản giáo trình sẽ hoàn thiện hơn.

Các tác giả

Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP.

1 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.1 Ưu, nhược điểm và phạm vi sử dụng.

Trong đó : γ là tỷ trọng của vật liệu

F là cường độ của vật liệu

Hệ số C càng nhỏ thì vật liệu càng nhẹ, Hệ số C của bê tông cốt thép 24.10-4(1/m);

gỗ là 4,5.10-4(1/m); thép là 3,7.10-4(1/m)

Kết cấu thép có tính công nghiệp hóa cao: thích hợp trong thi công lắp ghép,có khả năng cơ giới hóa cao Có thể sản xuất được hàng loạt tại xưởng với độ chính xác cao

Các liên kết trong kết cấu thép như (đinh tán, bu lông, hàn) tương đối đơn giản dễ thi công

Kết cấu thép có tính kín: thép là vật liệu không thấm chất lỏng và chất khí nên thích hợp sản xuất các thùng chứa chất lỏng, chất khí như thùng chứa dầu, khí ga…

Thép còn là vật liệu có thể tái chế sử dụng sau khi công trình đã hết thời hạn

Kết cấu thép chịu nhiệt kém, ở nhiệt độ trên 400C0 kết cấu thép bị biến dạng dẻo dẫn đến mất khả năng chịu lực Trong môi trường nhiệt độ cao không nên sử dụng kết cấu bằng thép

c Phạm vi sử dụng

Thép được sử dụng rỗng rãi trong các công trình dân dụng, công trình giao thông, công nghệ thông tin như nhà thi đấu thể thao, cột điện, trạm thu phát tín hiệu, cầu thép, dàn giáo thi công, giàn khoan.v.v

a) b)Hình 1.1 Kết cấu thép trong ngành xây dựng cầu đường a) Hệ thống giá đỡ dầm cầu bằng kết cấu thép

b) Cầu Long Biên – cầu thép lâu đời nhất tại Việt Nam

1.1.2 Yêu cầu đối với kết cấu thép

Khi sử dụng kết cấu thép cần đảm bảo những yêu cầu về mặt kinh tế, kỹ thuật và tiện lợi khi sử dụng:

Yêu cầu về mặt sử dụng: kết cấu thép phải được thiết kế đủ sức kháng lại các

tải trọng trong suốt thời gian sử dụng Phải đảm bảo tuổi thọ đã đề ra, dễ duy tu bảo dưỡng, dễ kiểm tra,

Yêu cầu về mặt kinh tế và quá trình thi công: tiết kiệm vật liệu, tối đa hoá

khả năng công nghiệp hoá trong sản xuất và lắp ráp các cấu kiện, giảm thời gian thi công…

Yêu cầu về mặt thẩm mỹ: đảm bảo tính thống nhất, phù hợp với thiết kế cảnh

quan xung quanh

1.2 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU

1.2.1 Sơ lược lịch sử các phương pháp tính toán thiết kế kết cấu thép

1.2.1.1 Thiết kế theo ứng suất cho phép (SCP-ASD)

Thiết kế phải đảm bảo an toàn Khi thiết kế dầm tĩnh định kết cấu liên kết bằng chốt hoặc thiết kế vòm ba chốt hoặc thiết kế dàn phẳng tĩnh định

Qui định về hệ số an toàn:

2

5,

R

Trong đó: fy là ứng suất chảy của thép

Kết cấu chịu kéo hoặc chịu nén:

Diện tích hữu hiệu cần thiết của cấu kiện chịu ứng suất kéo:

T là hiệu ứng tải trọng khi cấu kiện chịu kéo.

ft là ứng suất cho phép khi cấu kiện chịu kéo

Diện tích hữu hiệu cần thiết của cấu kiện chịu ứng suất nén:

C là hiệu ứng tải trọng khi cấu kiện chịu nén

fc là ứng suất cho phép khi cấu kiện chịu nén

Kết cấu chịu uốn:

S là mô đun mặt cắt cần thiết:

S ≥

b f

1.2.1.2 Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng(LRFD)

Điều kiện tính toán theo hệ số tải trọng và sức kháng:

Tuy nhiên phương pháp này cũng có những mặt hạn chế của nó Nó đòi hỏi

sự thay đổi trong quan điểm thiết kế, phải có hiểu biết cơ bản về lý thuyết xác suất

và thống kê, yêu cầu có các số liệu thống kê đầy đủ và thuật toán tính xác suất để điều chỉnh các hệ số sức kháng cho phù hợp với trường hợp đặc biệt

Phương pháp này được dùng làm cơ sở cho các tiêu chuẩn thiết kế của Mỹ hiện nay như tiêu chuẩn của Viện kết cấu thép Mỹ (AISC), hiệp hồi cầu đường Mỹ (AASHTO) cũng như tiêu chuẩn thiết kế cầu ở nước ta

1.2.2 Nguyên tắc cơ bản của Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05

1.2.2.1 Vài nét tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05

Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272–05 dựa trên tiêu chuẩn ASHTOLRFD (1998) của hội liên hiệp cầu đường Mỹ và các tài liệu Việt Nam được liệt kê dưới đây đã được tham khảo hoặc nguồn gốc của các dữ liệu thể hiện các điều kiện thực

tế ở Việt Nam:

- Tiêu chuẩn về thiết kế cầu: 22TCN 18 – 1979

- Tiêu chuẩn về tải trọng gió: TCVN 2737 – 1995

- Tiêu chuẩn về tải trọng do nhiệt: TCVN 4088 – 1985

- Tiêu chuẩn về thiết kế chống động đất: 22TCN 221 – 1995

- Tiêu chuẩn về giao thông đường thuỷ: TCVN 5664 – 1992

Khi thiết kế mọi tiêu chuẩn tính toán, cấu tạo phải đảm bảo an toàn trong thiết kế tức là sức kháng của vật liệu không nhỏ hơn hiệu ứng gây ra bởi các tải trọng và tác động ngoài, nghĩa là

Sức kháng của vật liệu R ≥ hiệu ứng của tải trọn Q (6)

Trong đó: R là sức kháng của vật liệu.

Q là hiệu ứng của tải trọng

Khi áp dụng nguyên tắc đơn giản này, điều quan trọng là hai vế của bất đẳng thức phải được đánh giá trong cùng những điều kiện Chẳng hạn, nếu hiệu ứng tải trọng là ứng suất nén trên nền thì nó phải được so sánh với sức kháng ép của mặt nền đó Liên kết thông thường này được quy định bằng việc đánh giá hai vế ở cùng một trạng thái giới hạn

Trạng thái giới hạn (TTGH) được định nghĩa như sau:

Trạng thái giới hạn là trạng thái mà kể từ đó trở đi, kết cấu cầu hoặc một bộ phận của nó không còn đáp ứng được yêu cầu mà thiết kế đặt ra cho nó

Thiết kế kết cấu thép yêu cầu phải đạt được mục tiêu tối ưu về tính kinh tế, tính thẩm mỹ, hiệu quả sử dụng, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trong thiết kế, thi công

và trong quá trình sử dụng

Mỗi cấu kiện được liên kết phải thỏa mãn điều kiện:

η ∑ γi.Qi≤ Ф.Rn=Rr (7)Trong đó: Qi là hiệu ứng của tải trọng thứ i

γi là hệ số tải trọng

Rn là sức kháng danh định

Ф là hệ số sức kháng

η là hệ số điều chỉnh

η = η D. η R η t >0,95 Đối với tải trọng dùng hệ số γmax.

0,1

1

≤

=

t R

Dη ηη

η Đối với tải trọng dùng hệ số γmin.

η - Hệ số xét đến tầm quan trọng trong khai thác.

Các hệ số ηD ; η R phụ thuộc vào cường độ kết cấu

ηt Xét đến sự làm việc của cầu.ở trạng thái sử dụng

Chú ý: Khi không xét trong các trạng thái giới hạn cường độ thì lấy : ηD = ηR = 1,0

1.2.2.2 Khái niệm về tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác

a Hệ số xét đến tính dẻo (η D )

Tính dẻo là một yếu tố quan trọng đối với sự an toàn của cầu Nhờ tính dẻo, các bộ phận chịu lực lớn của kết cấu có thể phân phối lại tải trọng sang những bộ phận khác có dữ trữ về cường độ

Các quy định của tiêu chuẩn được tuân theo thực nghiệm cho thấy rằng các cấu kiện sẽ có đủ tính dẻo cần thiết

Đối với trạng thái giới hạn cường độ, hệ số liên quan đến tính dẻo được quy định như sau:

ηD ≥ 1,05 đối với các cấu kiện và liên kết không dẻo

ηD = 1,0 đối với các thiết kế thông thường

ηD ≥ 0,95 đối với các cấu kiện tăng thêm tính dẻo vượt quá yêu cầu tiêu chuẩn

b Hệ số xét đến tính dư (η R )

Tính dư có tầm quan trọng rất lớn đối với khoảng an toàn của kết cấu cầu Kết cấu siêu tĩnh luôn có tính dư vì có số liên kết nhiều hơn số liên kết cần thiết, đảm bảo cho hệ kết cấu không biến dạng hình học (hệ bất biến hình)

Tính dư trong kết cấu cầu quy định theo tiêu chuẩn 22TCN272-05 như sau:

ηR ≥ 1,05 Đối với các cấu kiện không dư

ηR =1,0 Đối với các cấu kiện có mức dư bình thường

ηR ≥0,95 Đối với cấu kiện có mức dư đặc biệt

c Hệ số xét đến tầm quan trọng trong khai thác

ηt ≥1,05 Đối với các cầu quan trọng

ηt = 1,0 Đối với các cầu điển hình

ηt ≥0,95 Đối với các cầu ít quan trọng

1.2.2.3 Các trạng thái giới hạn (TTGH) theo tiêu chuẩn 22TCN272-05

Kết cấu thép phải được thiết kế sao cho, dưới tác dụng của tải trọng, nó không ở vào bất cứ TTGH nào được quy định bởi tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 Các trạng thái giới hạn này có thể được áp dụng ở tất cả các giai đoạn của cuộc đời kết cấu cầu

a Trạng thái giới hạn sử dụng

TTGH sử dụng của kết cấu thép được đặt ra đối với độ võng và các biến dạng quá đàn hồi dưới tải trọng sử dụng

Các qui định cho trạng thái giới hạn sử dụng:

Giới hạn về độ võng: 800/ (l là chiều dài nhịp tính toán).

Dầm thép liên hợp đối với hai bản biên: fl ≤ 0,95.Rh.Fγl

Dầm thép không liên hợp kể cả hai bản biên: fl ≤ 0,8.Rh.Fγl

Trong đó: Rh là hệ số giảm ứng suất của bản biên

fl là ứng suất đàn hồi của bản biên,đơn vị là (Mpa)

Fγl là ứng suất chảy của bản biên,đơn vị là (Mpa)

b Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gẫy

Theo TTGH mỏi giới hạn biên độ ứng suất do xe tải mỏi thiết kế sinh ra tới một giá trị phù hợp với chu kỳ lặp của biên độ ứng suất trong quá trình khai thác

Theo trạng thái giới hạn đứt gẫy, phải thiết kế lựa chọn thép có độ dẻo dai thích hợp trong phạm vi nhiệt độ nhất định

c Trạng thái giới hạn cường độ

TTGH cường độ bao hàm sự đánh giá, kháng uốn, kháng cắt, kháng xoắn, lực dọc trục

Các hệ số sức kháng Ф ở trạng thái giới hạn cường độ được cho trong bảng 1.1

Kéo đứt gẫy trong mặt cắt thực(mặt cắt hữu hiệu) Фu =0,80

Ép mặt tựa trên các chốt, các lỗ doa, khoan, lỗ bu lông và

các bề mặt cán

Фb =1,00

Ép mặt của bu lông lên thép cơ bản Фhb =0,80

Kim loại hàn trong các đường hàn ngấu hoàn toàn:

- Cắt trên diện tích hữu hiệu

- Kéo hoặc nén vuông góc với diện tích hữu hiệu

- Kéo hoặc nén song song với diện tích hữu hiệu

Фe1 =0,85

Ф =0,80Ф=0,80 Kim loại hàn trong các đường hàn ngấu không hoàn toàn

- Cắt song song với trục đường hàn

- Kéo hoặc nén song song với trục đường hàn

- Nén vuông góc với diện tích hữu hiệu

- Kéo vuông góc với diện tích hữu hiệu

Фe2 =0,80Ф=0,80Ф=0,80

Ф=0,80 Kim loại hàn trong các đường hàn góc

- Kéo hoặc nén song song với trục đường hàn

- Cắt trong mặt phẳng tính toán của đường hàn

Ф=0,80

Фe2 =0,80

d Trạng thái giới hạn đặc biệt

Trạng thái đặc biệt dùng để tính toán cho kết cấu khi xét đến các sự cố, các chu kỳ xẩy ra lớn hơn tuổi thọ của cầu, động đất, lực đâm xe, va chạm của tàu thuyền…

1.2.3 Giới thiệu về tải trọng và tổ hợp tải trọng theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 1.2.3.1 Các tổ hợp tải trọng

Trong tiêu chuẩn 22TCN 272 – 05, việc tổ hợp tải trọng được đơn giản hoá phù hợp với điều kiện Việt Nam Có 6 tổ hợp tải trọng được quy định như trong bảng 1.2:

Bảng 1.2: Các dạng tổ hợp tải trọng

Tổ hợp tải

trọng

Mục đích của tổ hợp tải trọng Các hệ số tải trọng chủ yếu

Cường độ I Xét xe bình thường trên cầu không có

gió

Hoạt tải γL = 1 , 75 Cường độ II Cầu chịu gió có tốc độ lớn hơn 25m/s Tải trọng gió γL = 1 , 40

Cường độ III Xét xe bình thường trên cầu có gió với

tốc độ 25m/s

Hoạt tải γL = 1 , 35 Tải trọng gió γL = 0 , 40 Đặc biệt Kiểm tra về động đất, va xe, va xô tàu

thuyền và xói lở

Hoạt tải γL = 0 , 05 Tải trọng đặc biệt γL = 1 , 00 Khai thác Kiểm tra tính khai thác, tức là độ võng

và bề rộng vết nứt của bê tông

Hoạt tải γL = 1 , 00 Tải trọng gió γL = 0 , 30 Mỏi Kiểm tra mỏi đối với cốt thép Hoạt tải γL = 0 , 75

1.2.3.2 Hoạt tải xe thiết kế

c Hoạt tải xe ô tô thiết kế

Xe tải thiết kế: trọng lượng, khoảng cách các trục và khoảng cách các bánh của xe tải thiết kế được cho trên hình 1.2, lực xung kích được lấy theo bảng 1-4

Hình 1.2: Đặc trưng của xe tải thiết kế 3 trục

Xe 2 trục thiết kế: Xe hai trục gồm một cặp trục 110000 N theo chiều dọc cách nhau 1200mm, khoảng cách theo chiều ngang của các bánh xe bằng 1800

mm Lực xung kích lấy theo bảng 1.4

d Tải trọng làn thiết kế

Là tải trọng có cường độ 9,3 N/mm ; phân bố đều theo chiều dọc cầu, và giả thiết phân bố đều trên bề rộng 3000 mm Khi tính nội lực do tải trọng làn thiết kế không xét đến tác động xung kích

Hình 1.3: Hoạt tải thiết kế theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-05

e Lực xung kích

Tác động tĩnh học của xe tải thiết kế hoặc xe hai trục thiết kế phải được lấy tăng thêm một tỷ lệ phần trăm cho tác động xung kích IM, được quy định trong bảng 1.4

Thành phần hoá học của thép làm ảnh hưởng trực tiếp tới cấu trúc của thép,

do đó làm liên quan chặt chẽ đến tính chất cơ học của nó

Thành phần hóa học chủ yếu của thép là sắt (Fe) và các bon (C), lượng các bon tuy rất ít nhưng ảnh hưởng quan trọng đối với tính chất cơ học của thép Lượng các bon càng nhiều thì cường độ của thép càng cao Nhưng tính dẻo, tính dai, tính hàn càng giảm Thép dùng trong xây dựng đòi hỏi tính dẻo cao để tránh đứt gẫy đột ngột nên hàm lượng các bon hạn chế khá thấp, thường C = 0,2÷ 0,22%

về khối lượng

Thép các bon thường, ngoài sắt (Fe) và các bon (C ) còn có các nguyên tố hóa học khác Các nguyên tố hóa học có lợi thường gặp man gan (Mn) và silic (Si) Các nguyên tố hóa học có hại phốt pho (P), lưu huỳnh (S), ô xi (O), ni tơ (N) Các nguyên tố có hại này làm cho thép trở nên dòn.

Thép hợp kim là loại thép ngoài các thành phần hóa học kể trên, còn có các nguyên tố kim loại bổ sung Các nguyên tố này được đưa vào nhằm tăng cường độ

mà không làm giảm tính dẻo, tăng khả năng chống gỉ, tăng khả năng chống mài mòn Ví dụ như Crôm (Cr) và đồng (Cu) tăng khả năng chống gỉ của thép, Mangan làm tăng cường độ của thép và kiềm chế ảnh hưởng xấu của sunfua

Tuy nhiên hàm lượng các kim loại càng cao (hợp kim càng cao) thì tính dẻo,tính dai,tính hàn càng giảm

Thép hợp kim dùng trong xây dựng là thép hợp kim thấp thành phần kim loại bổ sung khoảng 1,5÷2,0%

Các thuộc tính cơ học nhỏ nhất của các thép cán dùng trong công trình cường độ và chiều dày qui định theo bảng 1.5

Bảng 1.5: Các thuộc tính cơ học nhỏ nhất của các thép cán

dùng trong công trình, cường độ và chiềudày

Thép kêt Cấu

Thép hợp kim thấp Cường độ cao

Thép hợp Kim thấp Tôi nhúng

Thép hợp kim tôi Nhúng cường độ cao

Ký hiệu theo

AASHTO

M270 Cấp 250

M270 Cấp 345

M270 Cấp 345W

M270 Cấp 485W

M270 Cấp 690/690W Kýhiệu

theoASTM

Tương đương

A709M Cấp250

A709M Cấp 345

A709M Cấp 345W

A709M Cấp485W

A709M Cấp 690/690W

Chiều dày của bản

(mm)

Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 65 Trên 65

Tới 100 Thép hình Tất cả các

nhóm

Tất cả các nhóm

Tất cả các nhóm

Không áp dụng

Không

áp dụng

Không

áp dụng Cường độ chịu

1.3.2.Phân loại thép kết cấu theo tiêu chuẩn 22TCN272-05

Thép các bon công trình

Loại thép này có tính hàn tốt,thích hợp cho thép bản,thép thanh Và các loại thép cần định hình trong xây dựng được sử dụng trong nhiệt độ không khí

Thép hợp kim thấp cường độ cao

Loại thép này có tính hàn tốt Thích hợp cho thép bản, thép thanh, và thép cán định hình Các hợp kim này có sức khảng gỉ cao hơn thép công trình.Cường độ chảy và cường độ kéo đứt lớn hơn thép các bon công trình, cường độ chảy cao hơn (Fy=345 Mpa) có tính dẻo tốt, loại thép này thường được thiết kế loại cầu thép có nhịp trung bình và nhỏ

Thép hợp kim thấp gia công nhiệt

Thép hợp kim thấp cường độ cao có thể được gia công nhiệt ,để đạt được cường độ cao có thể được gia công nhiệt để đạt được cường độ cao hơn (Fy=485Mpa)

Sự gia công nhiệt làm điểm nóng chảy của thép dịch chuyển cao lên làm thay đổi cấu trúc của thép, làm tăng cường độ, tăng độ rắn và độ dai Ngoài ra thép này có thể hàn

Thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao

Thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao là loại thép có thành phần hóa học không phải như trong thép hợp kim thấp cường độ cao

Phương pháp gia công nhiệt tôi được thực hiện tương tự như thép hợp kim thấp.Nhưng thành phần hóa học khác nhau.Các nguyên tố hợp kim làm phát triển cường độ cao hơn (Fy=690Mpa ) và tính giai hơn ở nhiệt độ thấp

Ứng suất dư làm ảnh hưởng đến cường độ của các cấu kiện chịu lực

Biểu đồ ứng suất dư được hình thành một số trường hợp như trong hình 1.4

+ + +

+

+

+ +

+

+

+

+ -

- -

-

-

-

-

lửa, d) Mặt cắt I tổ hợp hàn cắt mép bằng lửa

1.3.4 Gia công nhiệt

Thuộc tính cơ học của thép có thể được nâng cao bằng các phương pháp gia công nhiệt khác nhau: gia công làm nguội chậm và gia công làm nguội nhanh

Gia công làm nguội chậm là phép tôi chuẩn thông thường Nó bao gồm việc nung nóng thép đến một nhiệt độ nhất định, giữ ở nhiệt độ n ày trong một khoảng thời gian thích hợp rồi sau đó, làm nguội chậm trong không khí Nhiệt độ tôi tuỳ theo loại gia công Gia công làm nguội chậm làm tăng tính dẻo, tính dai của thép, làm giảm tính dư nhưng không nâng cao được cường độ và độ cứng

Gia công làm nguội nhanh được chỉ định cho thép cầu, còn được gọi là tôi nhúng Trong phương pháp này, thép được nung nóng tới tới khoảng 900 0C, được giữ ở nhiệt độ đó trong một khoảng thời gian, sau đó được làm nguội nhanh bằng cách nhúng vào bể nước hoặc bể dầu Sau khi nhúng, thép lại đ ược nung tới khoảng 5000C, được giữ ở nhiệt

độ này, sau đó được làm nguội chậm Tôi nhúng làm thay đổi cấu trúc vi mô của thép, làm tăng cường độ, độ rắn và độ dai

1.3.5 Ảnh hưởng của ứng suất lặp (sự mỏi)

Khi thiết kế kết cấu thép, người thiết kế phải nhận thức được ảnh hưởng của ứng suất lặp Xe cộ đi qua bất kỳ vị trí nào đều lặp đi lặp lại theo thời gian Trên đường cao tốc xuyên quốc gia, số chu kỳ ứng suất lớn nhất có thể hơn một triệu lần mỗi năm

Các ứng suất lặp này được gây ra bời tải trọng sử dụng và giá trị lớn nhất của ứng suất trong thép cơ bản của mặt cắt ngang nào đó sẽ nhỏ hơn so với cường

độ của vật liệu hoặc vè hình học, ứng suất tại nơi gián đoạn có thể dễ dàng lớn gấp hai hoặc ba lần ứng suất được tính toán từ tải trọng sử dụng Ngay cả khi ứng suất cao này tác dụng không liên tục, nếu nó lặp đi lặp lại nhiều lần thì hư hỏng sẽ tích luỹ, vết nứt sẽ hình thành và sự phá hoại cấu kiện có thể xảy ra

Cơ chế phá hoại này, bao gồm biến dạng và sự phát triển vết nứt dưới tác động của tải trọng sử dụng, mà nếu tự bản thân nó thì không đủ gây ra phá hoại, được gọi là mỏi Thép bị mỏi khi chịu mức ứng suất trung bình nhưng lặp lại nhiều lần

1.4 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP

Trong kết cấu thép các cấu kiện được nối với nhau bằng các liên kết như liên kết bằng đinh tán,liên kết bằng bu lông cường độ cao, liên kết bằng đường hàn

Trong kết cấu thép hiện nay có ba loại liên kết thường được sử dụng, liên kết bằng đinh tán, liên kết bằng bu lông cường độ cao, liên kết bằng đường hàn

Nhược điểm: tốn vật liệu tốn công chế tạo, gây ra hiện tượng giẩm yếu tiết diện, chịu lực cắt kém hơn so với đinh tán

Phạm vi sử dụng: thường sử dung các công trình đường sắt, cột điện, dàn khoan, nhà thi đấu thể thao, cầu tạm.v.v

Liên kết hàn

Ưu điểm: không làm giảm yếu mặt cắt thanh thép liên kết, cấu tạo đơn giản

dễ gia công, dễ tự động hóa trong sản xuất

Nhược điểm: chịu tải trọng rung động kém, khó tháo dỡ trong quá trình thi công

Phạm vi sử dụng: được sử dụng cho các mối nối ngoài công trường,trong các nhà máy,đặc biệt đối với nganh cơ khí,ngành cầu,ngành xây dựng.v.v

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1

I Câu hỏi lý thuyết

1.Nêu ưu điểm? Nhược điểm phạm vi sử dụng của kết cấu thép?

2.Trình bày nguyên tắc cơ bản tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05

3.Trình bày các trạng thái giới hạn theo tiêu chuẩn 22TCN272-05

4.Trình bày phân loại thép kết cấu thép theo tiêu chuẩn 22TCN272-05

II Câu hỏi thảo luận

So sánh ưu nhược điểm của các loại liên kết trong kết cấu thép với 1 công trình cụ thể, từ đó đưa ra phương án tốt nhất theo quan điểm cá nhân

Chương 2 LIÊN KẾT BU LÔNG 2.1 LIÊN KẾT BU LÔNG

2.1.1 Phân loại bu lông

2.1.1.1 Bu lông thường

Thường được làm bằng thép ít các bon loại thép kí hiệu ASTM A307 có cường độ chịu kéo 420 Mpa Bu lông A307 có thể có đầu dạng hình vuông, hình lục giác hoặc đầu chìm

Bu lông thường không được phép sử dụng cho các liên kết chịu mỏi

2.1.1.2 Bu lông cường độ cao

Loại bu lông này có đường kính bu lông qui

định từ 16 mm đến 36 mm

Trong đó: Bu lông có đường kính d=16 mm

÷27 mm có cường độ chịu kéo nhỏ nhất là

830Mpa Bu lông có đường kính d=30 mm ÷ 36

mm có cường độ chịu kéo nhỏ nhất là 725 Mpa

Bu lông cường độ cao có thể dùng trong các

liên kết chịu ma sát hoặc liên kết chịu ép mặt

Ưu điểm của bu lông cường độ cao dễ chế

tạo khả năng chịu lực lớn liên kết ít biến dạng nên

được sử dụng rộng rãi thay thế cho liên kết đinh

tán trong các liên kết chịu tải trọng nặng và tải

trọng động

Trong thực tế thường sử dụng hai loai bu

lông cường độ cao là A325 và A490 theo tiêu

chuẩn ASTM như trên hình 2.1

Hình 2.1 Bu lông cường độ cao

2.1.2 Cấu tạo bu lông và lỗ bu lông

Hình 2.2 Cấu tạo bu lông cường độ cao

Hình 2.3 Cấu tạo bu lông thường:

a đầu và đai ốc hình lục lăng; b Đầu và đai ốc hình vuông; c Đầu chìm

Thân bu lông là một đoạn thép tròn đường kính d

Đường kính trong của phần ren là (do)

Đầu bu lông có thể hình vông hoặc hình lục giác

Đai ốc bu lông có thể hình vuông hoặc hình lục giác

Ngoài ra còn có lòng đèn (đệm) tác dụng dùng để phân phối áp lực của đai ốc (ê cu) lên mặt thép cơ bản

Chiều dài thân bu lông ký hiệu: l

Chiều dài phần ren ký hiệu: lo

Bu lông cường độ cao A325 có thể bằng thép chống rỉ Các kích cỡ bu lông

và đường ren răng có thể tham khảo bảng 2.1

Bảng 2-1 Chiều dài đường ren của bu lông cường độ cao

Chiều dài tổng cộngRen (mm)12,7

4,85,66,47,17,98,69,711,211,2

30,037,341,445,252,359.460,568,368,3

Trong các liên kết bằng bu lông cường độ cao chịu ma sát, các bản nối được

ép vào nhau nhờ lực xiết bu lông Lực xiết bu lông cần đủ lớn để khi chịu cắt, ma sát giữa các bản thép đủ khả năng chống lại sự trượt Liên kết chịu ma sát yêu cầu

bề mặt tiếp xúc của các bản nối phải được làm sạch khỏi sơn, dầu mỡ và các chất bẩn Cũng có thể dùng liên kết trong đó bu lông bị ép mặt, sự dịch chuyển của các bản nối được ngăn cản bởi thân bu lông

Các kích thước lỗ bu lông không được vượt quá các trị số trong bảng 2.2

Bảng 2-2 Kích thước lỗ bu lông lớn nhất

Đường kính bu lông Lỗ chuẩn Lỗ quá cỡ Lỗ ô van ngắn Lỗ ô van dài

d (mm) Đường kính Đường kính Rộng x dài Rộng x dài 16

20 22 24 26 28 30 35 38 41 44

Lỗ quá cỡ có thể dùng trong mọi lớp của liên kết bu lông cường độ cao chịu

ma sát Không dùng lỗ quá cỡ trong liên kết kiểu ép mặt

Lỗ ô van ngắn có thể dùng trong mọi lớp của liên kết chịu ma sát hoặc ép mặt

Trong liên kết chịu ma sát, cạnh dài lỗ ô van được dùng không cần chú ý đến phương tác dụng của tải trọng, nhưng trong liên kết chịu ép mặt, cạnh dài lỗ ô van cần vuông góc với phương tác dụng của tải trọng

Lỗ ô van dài chỉ được dùng trong một lớp của cả liên kết chịu ma sát và liên kết chịu ép mặt Lỗ ô van dài có thể được dùng trong liên kết chịu ma sát không

cần chú ý đến phương tác dụng của tải trọng, nhưng trong liên kết chịu ép mặt, cạnh dài lỗ ô van cần vuông góc với phương tác dụng của tải trọng

Trong xây dựng cầu, đường kính bu lông nhỏ nhất cho phép là 16 mm, tuy nhiên không được dùng bu lông đường kính 16 mm trong kết cấu chịu lực chính

Liên kết đối đầu có một bản ghép và liên kết chồng lực truyền đi lệch tâm nên

có mô men uốn phụ gây bất lợi cho sự làm việc của bu lông

Khi nối đối đầu hai bản thép có chiều dày khác nhau, cần dùng thêm bản đệm

Số bu lông phía có bản đệm cần tăng 10% so với tính toán

Liên kết 2 bản thép có sử dụng 1 hay 2 bản ghép:

Hình 2.4 Liên kết có sử dụng một trong hai bản ghép hoặc bản đệm

Sự phân bố của bản ghép nên phù hợp với thép hình cấu kiện

Không được dùng bu lông đường kính d=16 mm trong các cấu kiện chủ yếu

mà phải dùng bu lông có đường kính lớn hơn

Thép hình kết cấu không được dùng bu lông 16 mm Với loại bu lông này chỉ lắp ghép lan can

Qui định dùng các loại bu lông như sau:

Bu lông d=16 mm cho cạnh 50 mm

Bu lông d=20 mm cho cạnh 64 mm

Bu lông d=24 mm cho cạnh 75 mm

Bu lông d=27 mm cho cạnh 90 mm

Khoảng cách từ tim đến tim của các bu

lông không được nhỏ hơn 3d Trong đó d là

đường kính của bu lông (S≥3d) và

S≤(100+4,0.t) ≤ 175 mm

Khoảng cách từ tim lỗ tới mép cấu kiện

không được lớn hơn 8 lần chiều dày của

thanh, không được lớn hơn 125 mm (LS< 8.t

và LS<125 mm) và không nhỏ hơn khoảng

cách cho trong bảng 2.3

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí song song

Trong đó: S: là ký hiệu khoảng cách giữa các bu lông

LS: là ký hiệu khoảng cách từ tim bu lông tới mép

t: là chiều dày của thanh nhỏ hơn

2.3.2 Bố trí so le

2.3.2.1.Qui định khoảng cách tối thiểu

Khoảng cách từ tim đến tim không

được nhỏ hơn 3 lần đường kính bu lông

(S≥ 3d)

Khi dùng bu lông quá cỡ hoặc lỗ bu

lông hình ô van, thì khoảng cách tối thiểu

giữa mép lỗ không được nhỏ hơn 2 lần

đường kính bu lông (LS > 2d) Hình 2.7 Sơ đồ bố trí so le

2.3.2.2 Qui định khoảng cách tối đa

Cự li bu lông trên một hàng

S≤ {100+ 4,0.t(30.g/4,0) } ≤ 175 mm

Trong đó : t là chiều dày nhỏ hơn của bản thép nối

g là khoảng cách ngang giữa các bu lông khi các hàng đinh bố trí so le

2.3.2.3 Bước dọc lớn nhất cho bu lông trong thanh ghép

Bu lông ghép nối các liên kết của thanh có thể hai hoặc nhiều tấm bản hoặc thép hình ghép lại với nhau

Bước dọc cho bu lông ghép của thanh chịu nén không vượt quá 12.t

Khoảng cách ngang giữa các hàng bu lông kề nhau không vượt quá 24.t

Bước doc bu lông giữa hai hàng so le phải thỏa mãn:

p ≤ 15,0.t-(3,0.g/8,0)≤ 12,0.t

Bước dọc cho bu lông của thanh chịu kéo không vượt quá 2 lần qui định cho thanh chịu nén

Khoảng cách ngang cho thanh chịu kéo không vượt quá 24.t

2.2.3.4 Bước dọc lớn nhất cho bu lông ghép ở hai đầu thanh chịu nén

Bước dọc bu lông liên kết các bộ phận của thanh chịu nén, không vượt quá 4 lần đường kính bu long trên đoạn chiều dài bằng 1,5 lần chiều rộng lớn nhất của thanh

2.4 TÍNH TOÁN LIÊN KẾT BU LÔNG

2.4.1 Sự làm việc của liên kết bu lông

Khi liên kết bu lông chịu cắt xẩy ra hai dạng phá hoại chủ yếu: phá hoại của

bu lông và phá hoại của bộ phận được liên kết

2.4.1.1 Sự phá hoại của bu lông khi chịu lực cắt

Ứng suất cắt trung bình của bu lông tính theo công thức

4.d2

P A

Trong đó: P Là lực tác dụng lên một bu lông

A là diện tích mặt cắt ngang của bu lông

D là đường kính của bu lông

Lực tác dụng của một bu lông có thể viết: P= fV.A (2.2)

Hình a Hình bHình 2.8 Các trường hợp phá hoại cắt bu lôngTheo sơ đồ hình vẽ (hình a) cắt đơn; (hình b) cắt kép Ta thấy trong trường hợp này lực tác dụng không đúng tâm nhưng độ lệch tâm nhỏ có thể bỏ qua thành phần mô men do lực lệch tâm

Khi bu lông chịu cắt kép (hình b) có hai mặt cắt ngang tham gia chịu lực

Trong trường hợp này lực: P=2.fV.A (2.3)

Nếu tăng bề dày vật liệu tại liên kết nối thì làm tăng số mặt phẳng chịu cắt

làm giảm lực tác dụng lên mỗi mặt cắt Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng chiều dài

của bu lông và khiến cho nó có thể phải chịu uốn

2.4.1.2 Sự phá hoại của bu lông khi chịu ép mặt

Các tình huống phá hoại khác trong liên kết chịu cắt bao gồm sự phá hoại của

các bộ phận được liên kết và được chia thành hai trường hợp chính:

Sự phá hoại do kéo, cắt hoặc uốn lớn trong các bộ phận được liên kết Nếu

một cấu kiện chịu kéo được liên kết, lực kéo trên cả mặt cắt ngang nguyên và mặt cắt ngang hữu hiệu đều phải được kiểm tra Tuỳ theo cấu tạo của liên kết và lực tác

dụng, cũng có thể phải phân tích về cắt, kéo, uốn hay cắt khối Việc thiết kế liên kết của một cấu kiện chịu kéo thường được tiến hành song song với việc thiết kế chính cấu kiện đó vì hai quá trình phụ thuộc lẫn nhau

Sự phá hoại của bộ phận được liên kết do sự ép mặt gây ra bởi thân bu lông

Nếu lỗ bu lông rộng hơn một chút so với thân bu lông và bu lông được giả thiết là

nằm lỏng lẻo trong lỗ thì khi chịu tải, sự tiếp xúc giữa bu lông và bộ phận được

liên kết sẽ xảy ra trên khoảng một nửa chu vi của bu lông (hình 2.9) Ứng suất sẽ biến thiên từ giá trị lớn nhất tại A đến bằng không tại B; để đơn giản hoá, một ứng suất trung bình, được tính bằng lực tác dụng chia cho diện tích tiếp xúc, được sử dụng

Ứng suất trung bình khi chịu ép mặt của bu lông

fP=

t d

P

. (2.4)

Trong đó: P là lực tác dụng lên bu lông

d là đường kính của bu lông

t là chiều dày của bộ phận bị ép mặt

Từ công thức (2.4) ta có công thức lực ép mặt: P= fP.d.t (2.5)

Hình 2.9 Ép mặt của bu lông lên thép cơ bản

2.4.2 Khả năng chịu lực của bu lông.

2.4.2.1 Cường độ chịu cắt của bu lông:

Bu lông thường khác với bu lông cường độ cao không chỉ ở các thuộc tính của vật liệu mà còn ở chỗ lực ép chặt do xiết bu lông không được tính đến Bu lông thường được quy định trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272 -05 là bu

lông ASTM A307

Sức kháng cắt danh định của bu lông cường độ cao ở TTGH cường độ trong các mối nối mà khoảng cách giữa các bu lông xa nhất đo song song với phương lực

tác dụng nhỏ hơn 1270 mm được lấy như sau:

Khi đường ren của bu lông không đi qua mặt phẳng cắt

Fub là cường độ chịu kéo nhỏ nhất của bu lông ss (Mpa)

NS là số mặt cắt của mỗi bu lông

Trong tính toán khi tính sức kháng cắt của bu lông thường tính sức kháng cắt

có hệ số là: Ф.Rn với Ф = 0,65 đối với bu lông thường và Ф = 0,80 đối với bu lông cường độ cao (bảng 1.1)

2.4.2.2 Cường độ chịu ép mặt của bu lông lên thép cơ bản

Cường độ chịu ép mặt không phụ thuộc vào loại bu lông vì ứng suất được xem xét là trên bộ phận được liên kết chứ không phải trên bu lông Do vậy cường

độ chịu ép mặt cũng như các yêu cầu về khoảng cách bu lông và khoảng cách tới mép đầu cấu kiện là những đại lượng không phụ thuộc vào loại bu lông

Một trường hợp phá hoại có thể xảy ra do ép mặt

lớn là sự xé rách tại đầu một cấu kiện được liên kết như

được minh hoạ trên hình 2.10a Nếu bề mặt phá hoại

được lý tưởng hoá như biểu diễn trên hình 2.10b thì tải

trọng phá hoại trên một trong hai mặt sẽ bằng ứng suất

phá hoại cắt nhân với diện tích chịu cắt, hay

Rn/2=0,6.Fu.LC.tTrong đó: 0,6.Fu ứng suất phá hoại cắt của cấu kiện Hình 2.10 Sự xé rách

được liên kết; LC là khoảng cách từ mép của lỗ bu lông

tới mép lỗ gần kề hoặc tới mép của cấu kiện

t là chiều dày của cấu kiện được liên kết

tại đầu cấu kiện

Rn=1,2.Fu.LC.t (2.8)

Sự xé rách này có thể xảy ra tại mép của một cấu kiện được liên kết, như

trong hình vẽ, hoặc giữa hai lỗ theo phương chịu lực ép mặt Để ngăn ngừa biến dạng quá lớn của lỗ, một giới hạn trên được đặt ra đối với lực ép mặt được cho bởi công thức 2.9 Giới hạn trên này là tỷ lệ thuận với tích số của diện tích chịu ép mặt

và ứng suất phá hoại, hay

Rn=C.Diện tích ép mặt Fu = C.d.t.Fu

Với C là hằng số được lấy bằng 2,4 Như vậy: Rn=2,4.d.t.Fu (2.9)

Hình 2.11 Khoảng cách trống LcKhoảng cách LC từ mép của lỗ bu lông tới mép của cấu kiện, hoặc khoảng cách LC từ mép lỗ bu lông tới mép lỗ gần kề (mép lỗ khác):

+ Nếu LC≥ 2d thì sức kháng chịu ép mặt có hệ số của một bu lông

S là khoảng cách từ tim lỗ đến tim lỗ.

h là đường kính lỗ bu lông h=d+2 mm cho bu lông có đường kính d≤26

mm và h=d+3mm cho bu lông có đường kính d >26 mm

2.4.2.3 Liên kết bu lông cường độ cao chịu ma sát

Bu lông cường độ cao được làm từ thép hợp kim (40Cr; 38CrSi) và phải qua gia công nhiệt

Về mặt sức kháng trượt của bu lông cường độ cao được tạo nên bởi lực ma sát phát sinh trên bề mặt tiếp xúc của các cấu kiện Do vậy bu lông cường độ cao phụ thuộc vào lực căng trong thân bu lông phụ thuộc vào hệ số ma sát trên bề mặt tiếp xúc của bu lông với cấu kiện và ảnh hưởng kích thước lỗ bu lông

Vì vậy khi lắp ráp bu lông cường độ cao cần phải đảm bảo hai vấn đề chính: + Khống chế lực xiết để đảm bảo lực căng (Pt) trong thân bu lông như qui định

+ Làm sạch mặt tiếp xúc giữa bu lông với cấu kiện

Các phương pháp khống chế lực xiết:

- Phương pháp dùng ca lê đo lực: M=k.Pt.d (M là mô men xoắn Pt là lực căng trong thân bu long, k là hệ số xác định bằng thực nghiệm, d là đường kính của bu lông)

- Phương pháp đo trực tiếp, xiết bu lông bằng máy hoặc xiết bu lông trực tiếp theo kinh nghiệm

NS là số mặt ma sát của mỗi bu lông (thực tế bằng số mặt cắt của bu lông)

Pt là lực kéo tối thiểu yêu cầu trong bu lông được qui định bảng 2-4

Kh là hệ số kích thước lỗ được qui định trong bảng 2-5

KS là hệ số điều kiện bề mặt được qui định trong bảng 2-6

Bảng 2-4 Lực kéo tối thiểu yêu cầu trong bu lông

Đường kính bu lông

(mm)

Lực kéo tối thiểu yêu cầu trong bu lông Pt ;(KN)

Bu lông A325M Bu lông A490M

16 91 114

Cho các lỗ khía rãnh dài với rãnh vuông góc với phương của lực 0,7

Cho các lỗ khía rãnh dài với rãnh song song với phương của lực 0,6

Bảng 2-6: Các trị số của kS

Tiêu chuẩn đối với các loại bề mặt:

Loại A: Các lớp bẩn được làm sạch bề mặt không sơn và được làm sạch bằng thổi với lớp phủ

Loại B: Các bề mặt không sơn và được làm sạch bằng thổi với lớp phủ loại B

Loại C: Bề mặt mã kẽm nóng được làm nóng bằng bàn chải sắt sau khi mạ

Sức kháng trượt tính toán (có hệ số) của bu lông cường độ cao cũng chính là sức kháng trượt danh định ( Φ=1,0)

2.5 TÍNH TOÁN LIÊN KẾT KHI BU LÔNG CHỊU LỰC ĐÚNG TÂM

(Bài toán thiết kế mối nối bằng bu lông)

1 Chọn đường kính bu lông và chọn kích thước bản ghép

Chọn đường kính bu lông được chọn phụ thuộc vào kích thước cấu kiện và liên kết cấu kiện

Chọn kích thước bản ghép phải đảm bảo ∑ASP ≥ A (2.15)

Trong đó: ∑ ASP là tổng diện tích tiết diện ngang của các bản ghép

A là diện tích tiết diện của cấu kiện được liên kết

2 Tính toán số lượng bu lông và bố trí

Áp dụng công thức:

n

R

P n

.φ

= (2.16)

Trong đó: P là lực kéo đúng tâm

Ф là hệ số tra bảng 1-1

Rn là sức kháng chịu cắt danh định của một bu lông

Sau khi tính sơ bộ được số lượng bu lông theo cường độ chịu cắt, sau đó chọn

và bố trí bu lông tiếp theo kiểm tra cường độ chịu ép mặt với bu lông cường độ cao còn phải kiểm tra sức kháng trượt ở trạng thái sử dụng

3 Kiểm tra khả năng chịu ép mặt của bản nút

• Tính lỗ gần mép của cấu kiện

Áp dụng công thức: LC=LS 2

h

−

Nếu LC≥2d thì tính theo công thức: Ф.Rn1=Ф(2,4.d.t.FU) (2.17)

Nếu LC< 2d thì tính theo công thức: Ф.Rn2=Ф(1,,2.LC.t.FU) (2.18)

• Tính lỗ khác của cấu kiện

Áp dụng công thức: LC= S-h

Nếu LC≥2d thì tính theo công thức (2.16)

Nếu LC<2d thì tính theo công thức (2.17)

Khả năng chịu ép mặt của bản nút là: n1 Ф.Rn1 + n2 Ф.Rn2

n1 là số lỗ bu lông sát mép, n2 là số lỗ bu lông còn lại

4 Kiểm tra khả năng chịu ép mặt của thanh kéo (làm tương tự đối với bản nút)Sau khi tính toán được các kết quả sức kháng cắt, sức kháng chịu ép mặt, ta chọn số nào có trị số nhỏ hơn rồi so sánh với P Nếu nó lớn hơn hoặc bằng P khi đó

ta kết luận liên kết đảm bảo an toàn và ngược lại

Ví dụ 2.1

Tính toán thiết kế mối nối đối

với liên kết được cho như hình vẽ; Sử

dụng bu lông ASTM A307 đường

kính 20 mm; thép kết cấu M270

Cấp250; mép cấu kiện dạng cán Lực

kéo có hệ số bằng 120 KN Đường

ren của bu lông đi qua mặt phẳng cắt;

cường độ chịu kéo nhỏ nhất của bu

Bài giải

Tra bảng 1-5 thép kết cấu M270 cấp 250 cường độ chịu kéo Fu=400 Mpa

Bu lông ASTMA307 cường độ chịu kéo nhỏ nhất Fub=420 Mpa.

1 Thiết kế mối nối tính số lượng bu lông của cấu kiện

Tính diện tích tiết diện bu lông Ab=

120

x R

P

n

φ

(tra bảng 1-1: Ф=0,65)

chọn 4 bu lông thiết kế như hình vẽ:

Điều kiện thiết kế theo qui định

khoảng cách tối thiểu giữa hai bu

Kết luận: thiết kế 4 bu lông kết cấu đảm bảo cường độ chịu cắt

2 Kiểm tra cường độ chịu ép mặt của bu lông lên thanh kéo có t=12mm

• Lỗ sát mép: LC=LS

mm d

mm

h

40 2

19 2

22 30

•Kiểm tra sức kháng chịu ép mặt của 4 bu lông trên thanh

Trên thanh kéo 2 lỗ sát mép thanh và 2 lỗ không sát mép thanh

Ф.Rn= 2x87,552+2x184,32=743,744 KN >P=120 KN

Kết luận: Cường độ chịu ép mặt của bu lông trên thanh chịu kéo đúng tâm đảm bảo an toàn

3 Kiểm tra sức kháng chịu ép mặt của bu lông trên bản nút t=10 mm

Chú ý: Trong trường hợp ví dụ trên khoảng cách bu lông và khoảng cách tới mép là giống nhau và thép bản nút và thép thanh kéo cùng loại, chỉ có chiều dày là khác nhau thì chúng ta chỉ cần kiểm tra cấu kiện có chiều dày nhỏ hơn

Nếu khoảng cách tới mép là khác nhau thì phải kiểm tra cả cấu kiện chịu kéo

và kiểm tra bản nút

Ví dụ 2.2

Một thanh thép chịu kéo được nối với bản nút bằng bu lông cường độ cao A325M có cường độ chịu kéo nhỏ nhất Fub=830 Mpa; đường kính bu lông 20 mm

sử dụng loại thép M270 cấp 250, có bề mặt loại A có cường độ chịu kéo nhỏ nhất

Fu= 400Mpa Liên kết không cho phép trượt Tải trọng có hệ số ở trạng thái giới hạn có cường độ 250 KN; Tải trọng có hệ số ở trạng thái giới hạn sử dụng bằng

24 2

3 Tính sức kháng trượt của bu lông

Tính sức kháng trượt có hệ số của một bu lông: Ф.Rn=Ф.(kh.kS.NS.Pt)

Tra bảng 1-1: ( Ф=1 hệ số sức kháng trượt)

Tra bảng 2-5 lỗ chuẩn kh=1;

Tra bảng 2-6 bề mặt loại A: kS=0,33

Số mặt ma sát của mỗi bu lông NS=1

Ta bảng 2-4 lực kéo tối thiểu yêu cầu một bu lông cường độ cao A325M đường kính d=20 mm thì chọn Pt=142 KN

Ф.Rn=1(1.0,33.1.142)= 46,86 KN

Sức kháng trượt có hệ số của 4 bu lông: Ф.Rn= 4x46,86=187,44 KN (3)

Đáp số: Theo kết quả tính toán trên (1);(2);(3)

Xét ở trạng thái giới hạn cường độ sức kháng cắt của bu lông 316,92 KN là quyết định giá trị này lớn hơn so với tải trọng ở trạng thái cường độ 250KN

Xét ở trạng thái giới hạn sử dụng sức kháng trượt của bu lông 187,44 KNlớn hơn so với trạng thái tải trọng ở trạng thái giới hạn sử dụng 160KN

Vậy liên kết đảm bảo an toàn

2.6 LIÊN KÊT CỦA BU LÔNG KHI CHỊU LỰC LỆCH TÂM

Ta thường gặp khi liên kết thanh vào một đầu cột còn một đầu tự do Liên kết như thế thường gọi là liên kết công son Liên kết công son có thể liên kết bằng bu lông hoặc liên kết bằng đường hàn Trong trường hợp này ta nghiên cứu liên kết bằng bu lông khi chịu lực lệch tâm

Ví dụ liên kết thanh vào cột bằng bu lông chịu lực tác dụng lệch tâm có sơ đồ như hình vẽ

Tải trọng P tác dụng lệch tâm tạo ra hai thành phần nội lực

Hình 2.14: Sơ đồ liên kết bu lông chịu lực lệch tâmMột thành phần lực cắt và một thành phần mô men

• Thành phần mô men M= P.e (trong đó với e là độ lệch tâm)

• Thành phần lực cắt của các bu lông do lực P gây ra Vì vậy trên mỗi bu lông chịu tác dụng của một phần lực cắt chia đều: PC=P/n (n là số bu lông)

Dưới tác dụng của mô men nội lực của bu lông có thể được xác định khi coi ứng suất cắt trong bu lông là do xoắn của một mặt cắt ngang đối với các diện tích mặt cắt ngang của bu lông

Như vậy: Ứng suất cắt trong mỗi bu lông có thể được tính theo công thức về xoắn.

d là khoảng cách từ trọng tâm diện tích đến bu lông cần tính ứng suất

M là mô men uốn lệch tâm

J là mô men quán tính cực của diện tích quanh trọng tậm J=Jx+Jy

Ứng suất fv vuông góc với d

Nếu áp dụng định lý trục song song mô men quán tính J cho toàn thể diện tích

d M

Công thức tính lực cắt trong mỗi bu lông do mô men sinh ra là

Pm=A.fV= A ∑ 2 = ∑ 2

.

.

d

d M d

A

d M

M

)(

y x

M

P 2 2 . .

)(

Trong đó: xmax và ymax là khoảng cách tính từ trọng tâm đến bu lông tính ứng suất xa nhất theo trục x và trục y

x và y: là khoảng cách tính từ trọng tâm đến một bu lông theo truc x và y

Nội lực tổng cộng của bu lông:P = (∑P x)2 +(∑P y)2 ≤φ.R n (2.24)

Trong đó: ∑Px= Pcx+Pmx

∑Py= Pcy+Pmy

Ví dụ 2.3:

Kiểm toán mối nối cho trong hình vẽ

Sử dụng bu lông cường độ cao A325

đường kính bu lông 22 mm, lỗ chuẩn làm

việc chịu ép mặt, giả thiết đường ren của

bu lông cắt qua mặt phẳng cắt của mối nối,

cường độ chịu kéo nhỏ nhất của bu lông

Fub=830 Mpa Các cấu kiện bằng thép

M270 cấp 345 có cường độ Fu=450 Mpa

Chiều dày của thép bản cong son là 10mm;

Chiều dày của thép bản nút là 16mm Mối

nối gồm 8 bu lông được bố trí như hình vẽ

Hình 2.15: Hình ví dụ 2.3

Bài giải

Bu lông A325 có cường độ chịu kéo nhỏ nhất: Fub=830 Mpa

Thép M270 cấp 345 có cường độ: Fu=450 Mpa

1 Tính nội lực tác dụng tại trọng tâm liên kết

Các bu lông đều nằm trên hai trục đối xứng vì vậy tọa độ trọng tâm chính là giao điểm của hai trục đối xứng x và y Sơ đồ như hình vẽ

Lực thẳng đứng P=200KN gây ra hai thành phần nội lực

+ Lực cắt: V= P =200KN

+ Mô men uốn: M= P.e

e là độ lệch tâm (hay còn gọi cánh tay đòn)

Tính từ tâm C đến đường tác dụng của lực P Nên e=37,5+50+80=167,5 mm Nên M = 200x167,5=33500 KNmm =33,5 KNm

Vậy đây là liên kết bu lông chịu cắt dưới tác dụng đồng thời của mô men và lực cắt

2 Tính nội lực lớn nhất của bu lông

Nội lực của một bu lông theo hai phương x và y

n

P n

Nội lực theo phương x: Pcx=0

Dưới tác dụng của mô men, bu lông xa trọng tâm nhất thì bu lông đó chịu lực lớn nhất

Có : ymax= 75 112 , 5 mm

2

75 + = xmax= 37 , 5 mm

2 75

Và có:∑(x2+y2)=[(722 )2

.8+(752 )2

.4+(3.275)2

.4] =67500 mm2Trong đó:

x2=(752 )2.8 (ở đây x là khoảng cách tính từ trọng tâm C đến 8 bu lông )

y2=(752 )2.4 +(3.275)2.4(ở đây y là khoảng cách tính từ trọng tâm C đến 4 bu lông gần nhất và 4 bu lông xa nhất)

Nội lực của bu lông xa nhất do mô men:

Bu lông ASTM A325 có cường độ chịu kéo nhỏ nhất Fub=830 Mpa

Diện tích mặt cắt ngang của bu lông Ab= 2 2 380 2

4

22 14 , 3 4

Số mặt chịu cắt của bu lông NS=1

Hệ số sức kháng cắt tra bảng 1-1: Ф=0,8 bu lông cường độ cao

Khi đường ren của bu lông đi qua mặt phẳng cắt

Ф.Rn= Ф( 0,38.Ab.Fub.NS)=0,8(0,38.380.830.1)=95881,6.N=95,8816KN (2)

4 Tính sức kháng chịu ép mặt của một bu lông

Bản công son có chiều dày t=10mm mỏng hơn thép bản nút, nên việc tính toán chịu ép mặt được tiến hành đối với bản công son

• Tính với lỗ sát mép LC=LS

mm d

mm

h

44

2 38

2

24 50

−

ở đây (h=d+2=22+2=24 mm là đường kính lỗ bu lông)

Áp dụng công thức:

Ф.Rn=Ф(1,2.LC.t.Fu)=0,8(1,2.38.10.450)=164,16KN (3)

• Tính lỗ khác: LC=S-h =75- 24=51mm> 2d=44 mm

Áp dụng công thức

Ф.Rn=Ф(2,4.d.t.Fu)=0,8(2,4.22.10.450)=190,08KN (4)

Trong đó tra bảng 1-1, Ф=0,8 ép mặt của bu lông lên thép cơ bản

Kết luận: theo kết quả tính toán (1); (2); (3); (4) nội lực lớn nhất của một bu lông do tải trọng 70,8KN nhỏ hơn sức kháng cắt 95,8816 KN; nhỏ hơn sức kháng chịu ép mặt của một bu lông 164,16KN Vậy liên kết đảm bảo an toàn

2.7 LIÊN KẾT BU LÔNG CHỊU KÉO

Khi lực kéo tác dụng lên một bu lông theo tiêu chuẩn thiết kế cầu

22TCN272-05 Sức kháng kéo danh định của một bu lông cường độ cao được tính bằng công thức: Tn=0,76.Ab.Fub (2.25)

Trong đó: Tn là sức kháng kéo danh định

Ab là diện tích mặt cắt ngang bu lông

Fub là cường độ chịu kéo nhỏ nhất của bu lông

Do tác động bẩy lên (tác động nhổ của bu lông) gây ra biến dạng của các cấu kiện trong liên kết chịu kéo

Lực kéo do tác động bẩy lên áp dụng bằng công thức

a

b

] 328000 8

Trong đó: Qu là lực bẩy ( lực nhổ ) trên một bu lông do tải trọng có hệ số, được lấy bằng không khi lực là âm

Pu là lực kéo trực tiếp trên một bu lông do tải trọng có hệ số

a: là khoảng cách tính từ tim bu lông tới mép tấm

b: là khoảng cách tính từ tim bu lông đến chân đường hàn của cấu kiện được liên kết

t: là chiều dày nhỏ nhất của các cấu kiện liên kết

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2

I Lý thuyết:

1 Nêu phân loại và cấu tạo của bu lông?

2.Trình bày các hình thức liên kết bu lông? Ưu điểm và nhược điểm của liên kết của bu lông?

3 Nêu các cách bố trí bu lông? Sự phá hoại của bu lông khi chịu cắt và chịu ép mặt?

4 Nêu khả năng chịu cắt chịu ép mặt, chịu ma sát, của bu lông cường độ cao?

5 Trình bày các phương pháp tính toán bu lông khi chịu cắt và chịu ép mặt?

III Câu hỏi thảo luận

1 Vì sao khi bố trí bu lông khoảng cách bu lông không được quá nhỏ và không được quá lớn

2 Tại sao khi hai loại thép liên kết cùng loại, các khoảng cách S và Ls như nhau thì chúng ta chỉ cần kiểm tra ép mặt với thép có chiều dày mỏng hơn

3 Trong cầu thì liên kết bu lông được bố trí ở bộ phận nào là nhiều nhất? Vì sao?

III Bài tập:

1 Thiết kế mối nối hai bản ghép có diện tích 150x16 mm,chịu lực kéo, bản thép lọai M270 cấp 250 có Fu=400Mpa; Bản ghép có chiều dày t=12 mm; Sử dụng bu lông cường độ cao A325, có đường kính d=20mm đường ren của bu lông đi qua mặt phẳng cắt; Cường độ chịu kéo nhỏ nhất Fub=830 Mpa Lực kéo dọc trục đúng tâm P=800 KN; Sơ đồ như hình vẽ Kích thước đơn vị là mm?

Hình bài tập 1

2 Hãy kiểm toán mối nối bằng hai thép góc ký hiệu 2L10x90 mm làm bằng loại thép hợp kim M270 cấp 345 W có cường độ chịu kéo nhỏ nhất Fub=485 Mpa; chịu lực kéo dọc trục được liên kết vào bản nút Loại thép làm bản nút M270 cấp 250,

có chiều dày t=10 mm, bề mặt loại A, có cường độ chịu kéo nhỏ nhất Fu=400 Mpa;

phép trượt tải trọng có hệ số ở TTGH có cường độ là 350KN; Tải trọng có hệ số sử dụng có cường độ 260 KN; Các kích thước cho trên sơ đồ hình vẽ đơn vị là mm.

3 Kiểm tra cường độ chịu cắt chịu ép

mặt của bu lông, khoảng cách giữa các

bu lông và khoảng cách từ bu lông đến

mép đối với liên kết được thiết kế như

hình vẽ Biết đường ren của bu lông

không đi qua mặt phẳng cắt Sử dụng

bu lông cường độ cao A325 có cường

độ chịu kéo nhỏ nhất Fub=830 Mpa,

bu lông không đi qua mặt phẳng cắt, kích thước cho trên hình vẽ đơn vị là mm?

Hình bài tập 4

5 Kiểm toán mối nối cho trong hình vẽ Sử

dụng bu lông cường độ cao A325 đường

kính bu lông 26 mm, lỗ bu lông là lỗ chuẩn,

đường ren của bu lông không cắt qua mặt

phẳng cắt của mối nối, cường độ chịu kéo

Hình bài tập 1