Giáo Trình: Cơ sở tính toán chung các kết cấu kim loại máy trục potx

Các thanh thép định hình thép chữ C : [; thép chữ I; thép chữ L v.v… hoặc các tấm thép chúng liên kết với nhau liên kết hàn, liên kết tán đinh, liên kết bu lông tạo nên những kết cấu cơ

KHOA

Giáo Trình

Cơ sở tính toán chung các kết cấu kim loại máy trục

Phần I

CƠ SỞ TÍNH TOÁN CHUNG CÁC KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY TRỤC Chương 1

VẬT LIỆU VÀ SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU THÉP

§1.1 KHÁI NIỆM VỀ KẾT CẤU THÉP

1.1.1 Định nghĩa kết cấu thép, [17]

Các thanh thép định hình (thép chữ C : [; thép chữ I; thép chữ L v.v…) hoặc các tấm thép chúng liên kết với nhau (liên kết hàn, liên kết tán đinh, liên kết bu lông) tạo nên những kết cấu cơ bản, sau đó các kết cấu cơ bản lại được liên kết với nhau tạo thành một kết cấu chịu lực hoàn chỉnh gọi là kết cấu thép

Ví dụ: Xét kết cấu thép của cần trục tháp bánh lốp Gottwalld gồm có: kết cấu thép cần của cần trục, kết cấu thép của tháp… Xét kết cấu thép của cầu chuyển tải container gồm: kết cấu thép hệ chân đỡ, kết cấu thép công son nâng hạ, kết cấu thép dầm chính, kết cấu thép khung cẩu container (thiết bị mang hàng), v.v…, (xem các hình vẽ ở phần mở đầu)

1.1.2 Nhiệm vụ và đối tượng môn học kết cấu thép

a) Nhiệm vụ:

+ Tính toán công trình theo độ bền nhằm đảm bảo cho công trình có khả năng chịu tác

dụng của tải trọng cũng như các nguyên nhân khác mà không bị phá hoại

+ Tính toán công trình theo độ cứng nhằm đảm bảo cho công trình không có chuyển vị và

dao động lớn (khi không đủ độ cứng, công trình có thể mất trạng thái làm việc bình thường ngay cả khi điều kiện bền vẫn đảm bảo)

+ Tính toán công trình theo độ ổn định nhằm đảm bảo cho công trình có khả năng bảo

toàn vị trí và hình dạng ban đầu của công trình dưới dạng cân bằng trong trạng thái biến dạng

b) Đối tượng nghiên cứu:

+ Môn học Kết cấu thép nghiên cứu cách tính độ bền, độ cứng, độ ổn định của toàn bộ hệ kết cấu thép của công trình gồm nhiều đơn vị công trình liên kết với nhau và nghiên cứu phương pháp tính toán các công trình đó

+ Ví dụ : tính toán kết cầu thép của cần trục chân đế loại có hệ cần cân bằng dùng vòi; ta phải tính toán kết cấu thép của: hệ cần, tháp chữ A; hệ chân đỡ Với bài toán kết cấu thép các tải trọng hầu như chưa biết mà ta phải đi xác định chúng (phương, chiều, độ lớn, tính chất…) căn cứ vào kết cấu và tình hình làm việc cụ thể của cần trục Đặt các tải trọng vừa tìm được lên toàn bộ cần trục, từ đó xác định được lực tác dụng lên từng đơn vị chịu lực, ta được: sơ đồ tính hệ cần, hệ tháp, hệ chân đỡ Như vậy có thể nói rằng : Sau khi nghiên cứu công trình theo nhiệm vụ của môn học Kết cấu thép ta đưa bài toán trở về bài toán của môn Cơ học kết cấu

1.1.3 Đặc điểm của kết cấu thép, [08]

a) Kết cấu thép có những ưu điểm sau khiến nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều công trình nói chung và các máy xếp dỡ nói riêng :

+ Khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn do vật liệu

thép có cường độ lớn Độ tin cậy cao do cấu trúc thuần nhất của vật liệu, sự làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu gần sát với các giả thuyết tính toán Sự làm việc thực tế của kết cấu thép phù hợp với lý thuyết tính toán

+ Trọng lượng nhẹ : Kết cấu thép nhẹ nhất so với các kết cấu chịu lực : bê tông cốt thép,

gạch, đá, gỗ (so sánh trọng lượng khi cùng thực hiện một nhiệm vụ như nhau)

+ Tính công nghiệp hóa cao : Do sự sản xuất vật liệu (thép cán) được thực hiện hoàn toàn

trong nhà máy

+ Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp : Do trọng lượng nhẹ, việc vận chuyển và lắp

ráp kết cấu thép dễ dàng và nhanh chóng

+ Tính kín : Vật liệu và liên kết kết cấu thép có tính kín không thấm nước, không thấm

dầu, không thấm khí nên thích hợp nhất cho các công trình bể chứa chất lỏng, chất khí

+ Tính dễ liên kết : kết cấu thép dễ dàng liên kết bằng các mối liên kết như : liên kết hàn,

khi cần tháo rời thì dùng liên kết bu lông, thuận tiện cho việc chế tạo, lắp ráp, vận chuyển đến nơi sử dụng

b) Kết cấu thép có những nhược điểm sau khiến nó bị hạn chế sử dụng :

+ Dễ bị gỉ : Trong môi trường không khí ẩm, nhất là trong môi trường xâm thực (môi

trường axít, muối) kết cấu thép bị ăn mòn hóa học và điện hóa nhanh chóng Do vậy tránh dùng thép ở nơi ẩm ướt, luôn có lớp bảo vệ cho thép như : sơn phủ bọc

+ Chịu lửa kém : Ở nhiệt độ 500 oC ÷ 600oC thép chuyển sang dẻo, mất nhả năng chịu lực

+ Giá thành thép cao hơn các vật liệu khác Vì vậy việc tiết kiệm thép là một yêu cầu quan trọng đối với người thiết kế Cần phải luôn cải tiến thiết kế, kết cấu phù hợp, sáng tạo ra các hình thức kết cấu mới, dùng kết cấu nối ghép bằng hàn

1.1.4 Phạm vi sử dụng kết cấu thép trong ngành Máy xếp dỡ

Do các đặc điểm nói trên kết cấu thép thích hợp với các công trình lớn (nhịp rộng, chiều cao lớn, chịu tải trọng nặng), các công trình cần trọng lượng nhẹ, các công trình cần độ kín không thấm nước, dầu Phạm vi sử dụng kết cấu thép rất rộng như : khung nhà công nghiệp; khung nhà có nhịp lớn như : nhà văn hóa, nhà thi đấu thể dục thể thao…; khung nhà nhiều tầng; kết cấu tháp cao; kết cấu bản như các bể chứa dầu, bình chứa khí…

Trong các máy xếp dỡ, kết cấu thép chiếm một tỷ trọng rất lớn, nó hầu như là thành phần chính tạo ra hình dáng và kích thước hình học của tất cả các máy nâng chuyển nói chung

Ví dụ : Kết cấu thép hệ cần của cần trục (cần, vòi, giằng, giá chữ A …), hệ tháp (cột) ; sát xi, khung cần trục; chân đế; dầm chính; con son cần trục cổng và cầu chuyển tải…; thiết bị công tác của máy nâng; các thiết bị mang hàng như : móc cẩu, gầu ngoạm, khung cẩu container; khung đỡ băng tải; bình chứa khí nén trong vận chuyển khí ép, v.v…

1.1.5 Các yêu cầu đặt ra khi thiết kế kết cấu thép, [08]

Cũng như mọi kết cấu khác, khi thiết kế kết cấu thép cần phải đạt được những yêu cầu sau đây :

a) Yêu cầu về sử dụng - là yêu cầu cơ bản nhất đối với người thiết kế thể hiện ở các mặt :

+ Kết cấu thép phải thỏa mãn về mặt hình học do yêu cầu làm việc như : chiều cao nâng, tầm với, khẩu độ, chiều dài công son, các yêu cầu về hệ cần cân bằng (nếu có)…tóm lại là cần thỏa mãn về khoảng không gian yêu cầu phục vụ của cần trục

+ Kết cấu thép phải thiết kế sao cho khi làm việc không làm ảnh hưởng, cản trở hay làm

hư hại các thiết bị khác

Ví dụ : Khi thiết kế cầu cảng, một trong các thông số cần xác định là áp lực đơn vị của cần trục lên cầu cảng; ngược lại khi thiết kế hay mua một cần trục để làm việc tại cầu cảng đó

cũng cần căn cứ vào áp lực đơn vị cho phép của cầu cảng Tương tự như vậy khi thiết kế một xe nâng trong kho, trong lòng container, trên bãi v.v…

+ Kết cấu thép phải thỏa mãn các yêu cầu chịu lực : độ bền, độ cứng vững, độ bền mỏi (độ bền lâu), độ ổn định

+ Tính thẩm mỹ : kết cấu có hình dáng đẹp, thanh thoát, hài hòa

b) Yêu cầu về kinh tế thể hiện ở các mặt :

+ Tiết kiệm vật liệu : Vật liệu thép cần được sử dụng một cách hợp lý, đúng chỗ; đặc biệt việc chọn giải pháp kết cấu hợp lý tiết kiệm rất lớn khối lượng vật liệu thép cần thiết để chế tạo Ngoài ra cần dùng những phương pháp tính toán tiên tiến

+ Tính công nghệ của kết cấu bao gồm :

*) Tính công nghệ trong chế tạo : kết cấu được chế tạo sao cho phù hợp với điều kiện chế tạo của phân xưởng và việc sử dụng những thiết bị chuyên dùng hiện có, kết cấu đơn giản nhất mà vẫn đảm bảo được yêu cầu làm việc tránh phải sử dụng công nhân có tay nghề cao, do đó giảm được công chế tạo

*) Tính công nghệ trong lắp ráp, vận chuyển : Kết cấu thép đã được chế tạo đến khi lắp dựng phải dễ dàng, nhanh chóng với những thiết bị sẵn có Cũng có thể một số bộ phận máy trục tự lắp dựng như cổng trục tự dựng hay tự dựng một phần trong qui trình công nghệ lắp ráp Kết cấu thép đã được chế tạo khi vận chuyển từ nơi chế tạo đến nơi sử dụng cũng phải dễ dàng nhanh chóng bằng cách chia thành từng đơn vị vận chuyển hay vận chuyển cả kết cấu

*) Tính công nghệ trong việc sử dụng, bảo quản, bảo dưỡng : Kết cấu thép phải có hình dáng, cấu tạo tiện cho việc sử dụng, bảo dưỡng, kiểm tra, sơn bảo vệ

+ Tính điển hình hóa trong thiết kế kết cấu thép Ví dụ : điển hình hóa kiểu kết cấu cần, kết cấu tháp, điển hình hóa kết cấu chân đỡ…theo kết cấu từng thể loại cần trục Lợi ích của việc điển hình hóa cũng tương tự như việc tiêu chuẩn hóa :

*) Về mặt thiết kế tránh được việc thiết kế lặp lại;

*) Về mặt chế tạo có thể chế tạo hàng loạt lớn những cấu kiện, do đó tạo điều kiện sử dụng những thiết bị chuyên dùng, tăng được năng suất lao động và giảm thời gian chế tạo Việc dựng lắp cũng nhanh chóng dễ dàng hơn do có thể sử dụng những thiết bị dựng lắp thích hợp cho loại kết cấu được dùng lặp nhiều lần

1.1.6 Phương hướng phát triển kết cấu thép, [17]

Trong lĩnh vực nghiên cứu thiết kế kết cấu thép nói chung và kết cấu thép máy xếp dỡ nói riêng, người ta luôn tìm mọi biện pháp nâng cao chất lượng sản phẩm và hạ giá thành nhờ các biện pháp chủ yếu sau :

1) Tìm ra và hoàn thiện phương pháp tính toán mới

Trong tính toán kết cấu thép, một phương pháp đã và đang được dùng phổ biến là phương pháp tính theo ứng suất cho phép Theo phương pháp này việc tính toán đơn giản và thuận tiện, nhưng còn một khuyết điểm lớn nhất là : những kết cấu có công dụng và điều kiện làm việc không giống nhau, tính chất chịu lực không giống nhau mà hệ số an toàn lại đều được chọn như nhau Do đó thường dẫn đến tình trạng hệ số an toàn chọn quá lớn hoặc quá nhỏ, dẫn đến hậu quả là : kết cấu quá thừa bền (tiêu hao nhiều vật liệu) hoặc hư hỏng quá sớm Do yêu cầu phát triển sản xuất, nâng cao kỹ thuật thực nghiệm và phát triển công tác nghiên cứu đã thúc đẩy sự phát triển lý thuyết tính toán Do vậy thời gian gần đây đã hoàn thiện nhiều phương pháp tính toán mới như phương pháp tính theo độ bền mỏi, phương pháp tính theo trạng thái giới hạn Những phương pháp này đã được khảo sát và nghiên cứu khá chính xác : tính chất tác dụng của lực, cường độ của thép và tình hình làm việc của kết cấu, hệ số an toàn được chọn phù hợp với tính chất chịu lực của kết cấu Những phương pháp này đảm bảo cho kết quả chính xác hơn và

càng phù hợp với tính chất chịu lực thực tế của kết cấu Do vậy có thể lợi dụng được đầy đủ tính năng của thép và tiết kiệm thép

2) Nghiên cứu cải tiến và sáng tạo ra hình thức kết cấu mới

Một biện pháp hữu hiệu nhất để giảm nhẹ trọng lượng kết cấu thép là cải tiến hình thức kết cấu Xu hướng hiện nay là dùng phổ biến các kết cấu hình hộp, bản mỏng thay thế cho kết cấu dàn Hoặc trong một số kết cấu dùng kết cấu dàn có lợi hơn thì dùng thanh có tiết diện tròn

O thay thế cho thanh có tiết diện thép góc L, và thép chữ [

Hiện nay kết cấu thép trong ngành Máy xếp dỡ đã cải tiến rất nhiều để đáp ứng với nhu cầu xếp dỡ hàng hóa hiện nay :

+ Cần trục chân đế có thiết bị đỡ quay kiểu mâm quay và cột quay, xu hướng chung hiện nay là dùng thiết bị đỡ quay kiểu cột quay

+ Kết cấu cần kiểu dàn trước đây mặt cắt ngang chủ yếu có dạng chữ nhật nay có xu

hướng chuyển sang tiết diện tam giác (xem hình phần mở đầu : 0.7b; 0.19b; 0.19c; 0.19d)

+ Hệ cần cân bằng dùng cơ cấu 4 khâu (cần, vòi, giằng, giá đỡ), 4 khớp bản lề đã chuyển sang dùng cân bằng hệ cần dùng pa lăng (thực chất là lợi dụng lực căng của cáp nâng hàng để cân bằng) Loại cần trục này do được cải tiến về hình thức kết cấu nên nó có thể tiết kiệm tới 50% vật liệu thép dùng làm kết cấu (xem hình 0.19)

3) Sử dụng rộng rãi liên kết bằng hàn đặc biệt là hàn tự động

Dùng liên kết hàn có thể đơn giản hóa được cấu tạo kết cấu, làm cho cấu tạo mối liên kết đơn giản, gọn nhẹ, do vậy có thể tiết kiệm được thép và giảm nhẹ được công chế tạo và lắp ráp, rút ngắn thời gian chế tạo, tăng tốc độ thi công, hạ giá thành sản phẩm Dùng liên kết hàn có thể tiết kiệm được 30% lượng thép Hiện nay kết cấu thép trong ngành giao thông vận tải phần lớn đều dùng liên kết hàn

4) Sử dụng kim loại nhẹ (hợp kim nhôm) hoặc thép có cường độ cao (hợp kim thấp)

Phương pháp này có hiệu quả giảm nhẹ kết cấu và tiết kiệm thép Ở một số nước đã dùng hợp kim nhôm để chế tạo cần của cần trục cảng, tự trọng của nó giảm được từ 30% ÷ 40% Các loại cần trục được chế tạo bằng thép hợp kim thấp có thể giảm được trọng lượng bản thân khoảng 20% Tuy vậy hiện nay hợp kim nhôm còn hiếm và đắt tiền nên chưa được dùng rộng rãi

5) Sử dụng kỹ thuật mới

Trong một số kết cấu đã dùng phương pháp ứng suất trước (phương pháp dự ứng lực) để thiết kế chế tạo kết cấu thép Sử dụng phương phương pháp này có thể tiết kiệm được tới 30% lượng thép Phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi trong kết cấu nhà và kết cấu cầu

6) Qui cách hóa, tiêu chuẩn hóa và điển hình hóa kết cấu

Điều đó giúp đơn giản hóa việc thiết kế chế tạo, rút ngắn thời gian chế tạo, đưa qui trình chế tạo hàng loạt, tiến hành sản xuất có tính công nghiệp hóa qui mô lớn, giảm nhẹ sức lao động và số lao động trong dây chuyền

§1.2 THÉP DÙNG TRONG KẾT CẤU KIM LOẠI MÁY XẾP DỠ

1.2.1 Phân loại thép, [08]

Thép và gang là hợp kim đen của sắt (Fe) và cacbon (C), ngoài ra còn có một số chất khác có tỷ lệ không đáng kể như ô xy (O), Phốt pho (P), silic (Si), v.v…

Từ quặng sắt, thành phần chủ yếu là : ô xít sắt (Fe2O3 , Fe3O4 ) người ta luyện trong lò cao được gang là hợp kim của sắt Fe và cacbon C, trong đó C chiếm trên 1,7% Qua lò luyện

thép để khử bớt C trong gang, người ta được thép Có rất nhiều thép khác nhau do thành phần hóa học, do phương pháp luyện, phương pháp rót Dưới đây ta phân loại một số thép dùng trong xây dựng và kết cấu công trình :

1) Theo thành phần hóa học của thép Thép được phân ra :

+ Thép các bon với lượng các bon : %C < 1,7%

+ Thép các bon thấp với lượng các bon : %C = 0,25%

+ Thép các bon trung bình với lượng các bon : %C = 0,25% ÷ 0,60%

+ Thép các bon cao với lượng các bon : %C =0,60% ÷ 1,7%

+ Thép hợp kim có thêm các thành phần kim loại khác như crôm (Cr), Niken (kền - Ni), Măngan (Mn), …nhằm nâng cao độ bền của thép như tính chống gỉ, tăng độ bền Thép hợp kim thấp được dùng làm kết cấu thép với tỷ lệ các nguyên tố khác dưới 2,5% Thép hợp kim vừa và hợp kim cao không sử dụng làm kết cấu thép xây dựng và công trình

2) Theo phương pháp luyện thép Thép được phân ra :

+ Thép luyện bằng lò bằng : có năng suất thấp nhưng chất lượng cao, thép có cấu trúc thuần nhất và điều chỉnh được trong quá trình luyện

+ Thép luyện bằng lò quay : có năng suất cao nhưng chất lượng kém (lò Bessmer, lò Thomas); nay đã áp dụng phương pháp luyện bằng lò quay tiên tiến, chất lượng tương đương lò bằng và năng suất cao

Với các phương pháp sản xuất hiện nay, không cần phân biệt thép lò bằng hay thép lò quay, hai loại thép này coi như có chất lượng tương đương

3) Theo phương pháp để lắng thép

Thép lỏng từ lò luyện được rót vào các khuôn để nguội cho kết tinh lại Tùy theo phương pháp để lắng nguội – thép được chia ra :

+ Thép sôi : Thép khi nguội bốc ra nhiều bọt khí : oxy, oxyt cacbon (nên trông như sôi),

các bọt khí tạo nên những chỗ không đồng nhất trong cấu trúc của thép, khiến thép sôi có chất lượng không tốt, dễ bị phá hoại giòn và bị lão hóa

+ Thép tĩnh : Thép tĩnh trong quá trình nguội không có hơi bốc ra cuồn cuộn như thép sôi,

do đã được thêm những chất khử oxy như silic, nhôm, mangan Những chất này khử hết oxy có hại và những tạp chất phi kim loại khác tạo nên xỉ nổi trên mặt Phần xỉ này được loại bỏ đi, thép còn lại trở nên đồng nhất, chịu lực động tốt, khó bị phá hoại giòn Thép tĩnh đắt hơn thép sôi, được dùng trong những công trình quan trọng hoặc chịu tải trọng động lực

+ Thép nửa tĩnh : Là trung gian giữa thép tĩnh và thép sôi

1.2.2 Số hiệu thép, [14]

1) Các ký hiệu tiêu chuẩn chủ yếu trên thế giới

Do những hoàn cảnh lịch sử, nước ta đã quen dùng tiêu chuẩn Nga (ГОСТ) Ngày nay ngoài ГОСТ ra, các cán bộ kỹ thuật và người tiêu dùng cần phải biết các tiêu chuẩn của các nước khác như : Mỹ, Nhật, Pháp, Đức , Anh, … là những nước phát triển và kỹ thuật tiên tiến

Các Tiêu chuẩn Việt Nam có liên quan đến ký hiệu vật liệu kim loại gồm có (1.2.3 – [14]):

– TCVN 1659 – 75 qui định các nguyên tắc ký hiệu cho vật liệu kim loại (thép, gang, hợp kim màu) Dựa trên các nguyên tắc này có thể ký hiệu mọi loại thép, hợp kim màu theo các thành phần hóa học chủ yếu

Bảng 1.1 Ký hiệu các tiêu chuẩn, [14]

Stt Tiêu chuẩn tiêu chuẩn Ký hiệu Ghi chú Stt Tiêu chuẩn tiêu chuẩn Ký hiệu ghi chú

AA CDA

04 Mỹ-có nhiều

hệ tiêu chuẩn

UNS

+ Đối với thép được ký hiệu theo trật tự :

Ví dụ thép :12CrNi3A : có ≈ 0,12% C; ≈ 1%Cr; ≈ 3%Ni; ít P,S (mỗi nguyên tố ít hơn 0,025%)

Ví dụ thép : 210Cr12 : có ≈ 2,10%C; ≈ 12% Cr

+ Đối với hợp kim màu được ký hiệu theo trật tự :

Ví dụ thép : AlCu4Mg là hợp kim nhôm có : ≈ 4,00%Cu; ≈ 1,00%Mg

2) Ký hiệu thép xây dựng và công trình theo Tiêu chuẩn Việt Nam, Nga, Trung Quốc

(Phân loại theo công dụng – bảng 1.2)

TCVN 1765-75 qui định các mác thép và yêu cầu kỹ thuật cho nhóm này Nói chung các mác thép được ký hiệu bằng CT (với nghĩa : C – cacbon, T – thép) và số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu tính bằng kG/mm2, và cuối cùng có thể có thêm chữ “s” để chỉ thép sôi, “n” để chỉ thép nửa lặng (nửa tĩnh), còn đối với thép lặng (tĩnh) thì không cần thêm chữ gì cả Thép còn được chia thành 3 phân nhóm nhỏ – căn cứ vào công dụng

Bảng 1.2 - Ký hiệu thép xây dựng và công trình theo T/C Việt Nam, Nga, Trung Quốc

Tiêu chuẩn

Các ký hiệu TCVN 1765-75 Việt Nam ГОСТ 380-71 Nga Trung Quốc GB 700-79

Giới hạn bền kéo tối thiểu [kG/mm2]

Ghi trực tiếp giá trị bền kéo tối thiểu

Ghi theo phân cấp độ bền : 0, 1,

cùng Chỉ thép tĩnh (lặng) Không ghi gì cả CП Không ghi gì cả

- Phân nhóm A : Chỉ qui định cơ tính

- Phân nhóm B : Chỉ qui định thành phần hóa học

- Phân nhóm C : Qui định cả thành phần hóa học lẫn cơ tính

Ký hiệu hóa

học nguyên tố

gốc

Ký hiệu hóa học và lượng phần trăm trung bình lần lượt cho từng nguyên tố hợp kim, nếu ≈ 1% thì không ghi

Phần vạn C

(1/10 000)

Ký hiệu hóa học và lượng phần trăm trung bình lần lượt cho từng nguyên tố hợp kim, nếu ≈ 1% thì không ghi

Cuối ký hiệu ghi chữ A là chất lượng cao (ít P,S)

Việc qui định cụ thể xem [14], tuy nhiên cần lưu ý một số điểm sau:

a) Phân nhóm A (Nga ký hiệu cũng là A) :

Như trên đã nói phân nhóm A chỉ qui định cơ tính mà không qui định thành phần hóa học, tức là về nguyên tắc thép có thành phần hóa học tùy ý miễn sao đạt được các chỉ tiêu cơ tính qui định

Ngoài ra GB còn ký hiệu thép theo phương pháp nhiệt luyện, lúc đó ở ngay sau chữ A có các chữ :”Y” hay “J” cho thép lò quay, còn lò Mác tanh (lò bằng thì không ghi gì cả)

Ví dụ (tương đương) :

b) Phân nhóm B (Nga ký hiệu là Б):

Công dụng chủ yếu của thép phân nhóm B là làm kết cấu hàn bởi vì nó được bảo đảm về thành phần hóa học, trong đó các bon và các nguyên tố ảnh hưởng xấu đến tính hàn như Mn,

Cr, Môlípđen (Mo), và Vanađi đều được khống chế với hàm lượng thấp Có thể coi phần lớn thép phân nhóm B có các bon thấp (<0,25%C) và tất cả không hợp kim hóa hay chỉ hợp kim hóa thấp nên nói chung có tính hàn cao và tốt

CT34n CT2ПC A2b, AY2b, AJ2b CT51 CT5CП A5, AY5, AJ5

CT34 CT2CП A2, AY2, AJ2

CT52nMn CT5ГПC CT38s CT3KП A3F, AY3F, AJ3F

Về mặt ký hiệu :

+ TCVN 1765-75 qui định phân nhóm B tương tự như phân nhóm A song ở trước có thêm chữ B Tuy ký hiệu cũng có các số như ở phân nhóm A nhưng ở đây trong phân nhóm B các số không mang ý nghĩa trực tiếp nào cả vì về nguyên tắc thép chỉ có thành phần qui định còn cơ tính có thể rất khác nhau (do ở các dạng nhiệt luyện khác nhau chẳng hạn)

+ Tiêu chuẩn của Nga ГОСТ 380-71 : thêm chữ Б ở phía trước

+ Tiêu chuẩn của Trung Quốc : GB 700-79: thay chữ A bằng chữ B

Ví dụ xem bảng (tương đương)

Như vậy các thép đem làm kết cấu hàn phải dùng các mác phân nhóm B, chứ không phải phân nhóm A Ví dụ : dùng mác BCT38 chứ không phải mác CT38

c) Phân nhóm C(Nga ký hiệu là B):

Công dụng chủ yếu của thép phân nhóm C là làm kết cấu hàn chịu lực bởi vì nó được bảo

đảm về thành phần hóa học và cả cơ tính Ví dụ : CCT34N, CCT34, CCT38n, CCT38

Về mặt ký hiệu :

+ TCVN 1765-75 qui định phân nhóm C tương tự như phân nhóm A song ở trước có thêm chữ C; song không bao gồm đầy đủ các mác ở phân nhóm A mà chỉ có các mác: (theo bảng)

Như vậy không có các mác ứng với các số 31, 33, 61

+ Tiêu chuẩn của Nga ГОСТ 380-71 : thêm chữ B ở phía trước Gần đây (1998) ở Nga đã thịnh hành tiêu chuẩn mới về thép thông dụng, không dùng các số thứ tự để chỉ cấp độ bền mà ký hiệu theo giới hạn bền kéo tối thiểu theo đơn vị Mpa Các mác thép trình bày ở bảng 2.2 theo tiêu chuẩn ГОСТ 27772-88 - [26] (tr.21) có thể được xem như thuộc phân nhóm C vì được qui định cả cơ tính lẫn thành phần hóa học

+ Tiêu chuẩn của Trung Quốc : GB 700-79: thay chữ A bằng chữ C Ví dụ (tương đương):

3) Ký hiệu thép xây dựng và công trình theo Tiêu chuẩn Nga (Phân loại theo cường độ thép)

a) Thép các bon thấp cường độ thường : Là thép các bon thấp có :

+ Giới hạn chảy vào khoảng : 2200 ÷ 2500 daN/cm2

+ Giới hạn bền vào khoảng : 3700 ÷ 4200 daN/cm2

Thép các bon thấp dùng trong xây dựng và công trình gồm hai số hiệu : CT3 và CT3ПС

(CT3 nửa tĩnh) Thép CT3 chứa 0,14% ÷ 0,22% cácbon; thép CT3Γ có tăng thêm hàm lượng các bon tới 0,8% ÷ 1,1% mangan (gấp đôi so với CT3)

Vì thép làm kết cấu chịu lực phải đảm bảo cả độ bền và tính dễ hàn, chịu được tác động xung kích (tải trọng động), nên chỉ được dùng thép nhóm B (tiêu chuẩn Nga) Căn cứ vào yêu

cầu độ dai xung kích (va đập) thép BCT3 và BCT3 Γ lại được chia làm 6 hạng : Ví dụ hạng 2 không cần bảo đảm độ dai xung kích; hạng 6 phải bảo đảm sau khi bị lão hóa cơ giới, hạng 5 phải đảm bảo cả ở nhiệt độ thấp Qui phạm cho phép dùng trong xây dựng 3 hạng : thép sôi hạng

2 (BCT3 KП 2), thép nửa tĩnh hạng 6 (BC T3 П C6), thép nửa tĩnh có mangan và thép tĩnh hạng 5 (BCT3ΓП 5 và BC T3C 5)

b) Thép cường độ khá cao : Là thép các bon mang nhiệt luyện hoặc thép hợp kim thấp:

+ Giới hạn chảy vào khoảng : 2900 ÷ 3900 daN/cm2

+ Giới hạn bền vào khoảng : 4300 ÷ 5400 daN/cm2

Các thép hợp kim thấp thông dụng cho kết cấu có 6 loại :

09Γ2, 09Γ2C, 14Γ2, 10Γ2C1,15XCHД, 10XCHД,

Ý nghĩa ký hiệu như sau :

+ Đầu tiên là con số chỉ phần vạn các bon;

+ Tiếp theo là tên các thành phần hợp kim; (Γ – măngan; C – silíc; X – crôm; H – niken;

Д – đồng; Φ - vanađi; v.v…

+ Con số đứng sau chỉ % của chất, nếu tỷ lệ lớn hơn 1% Ví dụ : thép 09Γ2C : có 0,09%

C, Măngan ≈ 2%; silíc ≈ 1% Sử dụng thép có cường độ cao có thể giảm được 20 – 25% trọng lượng kết cấu

c) Thép cường độ cao : gồm các thép hợp kim đem nhiệt luyện :

+ Giới hạn chảy cao hơn : 4400 daN/cm2

+ Giới hạn bền cao hơn : 5900 daN/cm2

Ví dụ các thép cường độ cao: 16Γ2AΦ; 12Γ2CMΦ;

Sử dụng thép có cường độ cao có thể giảm được 25 – 30% trọng lượng kết cấu

Việc lựa chọn các số hiệu thép cho kết cấu phải dựa vào các yếu tố : đặc điểm gia tải (tĩnh, động, lặp, rung động…), trạng thái ứng suất (phẳng, khối), phương pháp liên kết,v.v…

§1.3 SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP CHỊU TẢI TRỌNG

1.3.1.Sự làm việc chịu kéo của thép, [08]

Sự làm việc chịu kéo là dạng làm việc cơ bản của thép, đặc trưng cho sự chịu lực của thép dưới tác dụng của tải trọng Qua nghiên cứu sự làm việc chịu kéo của thép, ta có các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép như: ứng suất giới hạn, biến dạng giới hạn, môđun đàn hồi

a) Biểu đồ ứng suất - biến dạng khi kéo

Mang kéo một mẫu thép mềm CT3 bằng tải trọng tĩnh tăng dần và vẽ đồ thị quan hệ giữa ứng suất σ và biến dạng tỷ đối ε, ta được biểu đồ kéo của thép như hình 1.1 Trục tung biểu thị

ứng suất σ = P/A, kN/cm 2 Trục hoành biểu thị biến dạng tỷ đối ε = ∆l/l.100%; trong đó A, l là tiết diện ban đầu và chiều dài ban đầu của mẫu

Đường cong biểu đồ gồm các đoạn cong sau (h1.1)

+ Đoạn O đến A, tương ứng với ứng suất từ 0 đến khoảng 2000 daN/cm 2, là một đường thẳng Trong giai đoạn này, ứng suất và biến dạng tỷ lệ bậc nhất với nhau, vật liệu tuân theo định luật Húc : σ = Eε, trong đó mô đun đàn hồi E là hệ số góc của đường thẳng OA Đối với thép CT3, E = 2,06.106 daN/cm 2 Giai đoạn này gọi là giai đoạn tỷ lệ, ứng suất tương ứng với điểm A gọi là giới hạn tỷ lệ σtl

Bên trên điểm A một chút cho tới điểm A’, đường thẳng hơi cong đi, không còn giai đoạn tỷ lệ bậc nhất nữa, nhưng thép vẫn làm việc đàn hồi, nghĩa là biến dạng sẽ hoàn toàn mất đi khi không còn tải trọng Ứng suất tương ứng với điểm A’ gọi là giới hạn đàn hồi σđh là giới hạn của vùng làm việc đàn hồi của thép Thực tế, σđhkhác rất ít với σtl nên nhiều khi người ta đồng nhất hai giai đoạn làm việc này

+ Đoạn A’B, là một đường cong rõ rệt Thép không còn làm việc đàn hồi nữa; mô đun

đàn hồi E giảm dần đến bằng 0 ở điểm B, ứng với ứng suất chừng 2400 daN/cm 2 Giai đoạn này gọi là giai đoạn đàn hồi dẻo

+ Đoạn BC, hầu như là đoạn nằm ngang ; gọi là giai đoạn chảy dẻo Biến dạng tự động tăng trong khi ứng suất không đổi Đoạn nằm ngang ứng với biến dạng từ ε = 0,2% đến ε = 0,25% được gọi là thềm chảy Ứng suất tương ứng với giai đoạn chảy dẻo gọi là giới hạn chảy

σc. Nếu tại điểm C mà ta cất tải trọng, biểu đồ giảm tải sẽ sẽ đi theo đường cong C0’ song song với đường gia tải đàn hồi; thép có biến dạng dư : 00’

+ Đoạn C-D, quá giai đoạn chảy (quá trị số biến dạng ε = 0,25% đối với thép CT3), thép không chảy nữa và lại có thể chịu được lực Thép như được gia cường, nên giai đoạn này gọi là giai đoạn củng cố Quan hệ ứng suất – biến dạng là một đường cong thoải, biến dạng tăng nhanh theo kiểu biến dạng dẻo Mẫu thép bị thắt lại, tiết diện bị thu nhỏ và bị kéo đứt ứng với ứng suất

ở điểm D, khoảng 4000 daN/cm 2 đối với CT3 Ứng suất này gọi là giới hạn bền Biến dạng lúc

kéo đứt rất lớn εo = 20% - 25%

b) Các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép

Biểu đồ kéo của thép cho ta các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép, được qui định trong tiêu chuẩn đối với mỗi mác thép Đó là:

+ Giới hạn tỷ lệ : σtl

+ Giới hạn chảy : σc – quan trọng nhất, là ứng suất trong các cấu kiện chịu lực không

được phép vượt qua.

+ Giới hạn bền : σb

+ Biến dạng khi đứt : εo

+ Môđun đàn hồi : E

Ví dụ : Thép C T 3 có các đặc trưng cơ tính như sau :

+ Mô đun đàn hồi (khi kéo) : E = 2,10.106 kG/cm 2 + Khối lượng riêng : γ = 7,83 T/m 3

+ Mô đun đàn hồi trượt : G = 0,81.106 kG/cm 2 + Độ dãn dài khi đứt : εo = 21% + Giới hạn chảy : σc = 2400 -2800 kG/cm 2 + Độ bền cơ học đảm bảo

+ Giới hạn bền : σb = 3800 -4200 kG/cm 2 + Tính dẻo cao

+ Độ dai va đập : ak = 50-100 J/cm 2 + Tính hàn tốt (dễ hàn)

Hình 1.1 Biểu đồ kéo thép các bon thấp

1.3.2 Thép dùng làm kết cấu chịu tải trọng động – [13]

Theo qui phạm chia các kết cấu xây dựng và công trình làm 4 nhóm và có hướng dẫn việc sử dụng các số hiệu thép cho mỗi nhóm Sau đây là số hiệu thép cho nhóm 1:

Phạm vi sử dụng: Các kết cấu hàn hoặc các cấu kiện của nó làm việc trong điều kiện đặc biệt nặng hay chịu tác dụng trực tiếp của tải trọng động, tải trọng rung động hoặc tải trọng di động (dầm cầu trục, dầm của sàn công tác, các cấu kiện của kết cấu bunke, các cầu bốc dỡ chịu trực tiếp tải trọng động: các bản mắt của dàn, các kết cấu nhịp và gối đỡ của hành lang băng tải, các cột hàn đặc biệt của hệ thống đường dây điện (ĐDK) vượt qua nhịp lớn và có chiều cao hơn

60 m; các dầm đỡ cầu trục của các công trình thủy công…(bảng 1.2)

Bảng 1.2 - Cường độ tiêu chuẩn và cường độ tính toán của một số thép cán, (Bảng 50 -[13])

Cường độ tiêu chuẩn Mpa (kG/cm 2 )

Cường độ tính toán Mpa (kG/cm 2 ) Stt Mác thép ГОСТ hoặc TY

Loại thép cán

Chiều dày thép cán (mm)

Giới hạn chảy σσc

Giới hạn bền σσb

Giới hạn chảy σσc

Giới hạn bền σσb

§1.4 QUI CÁCH THÉP CÁN DÙNG LÀM KẾT CẤU THÉP, [08], [13]

Kết cấu thép được chế tạo từ các thép tấm, thép hình có nhiều loại kích thước khác nhau Nước ta đã ban hành tiêu chuẩn quốc gia về thép cán nóng TCVN 1650 – 75 đến TCVN 1657 –

75 bao gồm các thép tròn, thép ray, thép chữ [, thép chữ I, thép góc ∟,v.v… Về cơ bản, các loại thép cán của tiêu chuẩn Việt Nam có kích thước giống như các loại thép cán theo tiêu chuẩn Liên Xô ГОСТ năm 1972 Hiện nay Liên Xô đã sử dụng tiêu chuẩn mới loại 72* (Ví dụ ГОСТ 8510-72*) là sửa đổi của tiêu chuẩn năm 1972 Các qui cách thép hình theo TCVN năm 1975,

tương ứng với ГОСТ năm 1972 Đối với các loại thép chưa có trong tiêu chuẩn Việt Nam thì dùng các tiêu chuẩn mới nhất của Liên Xô

1.4.1.Thép hình

a) Thép góc : (Hình 1.2.a) Thép góc có hai loại :

- Thép góc đều cạnh, theo TCVN 1656 –75 ;

- Thép góc không đều cạnh, theo TCVN 1657 –75, với tỷ lệ 2 cạnh khoảng 1:1,6 Ký hiệu thép góc như sau, ví dụ :

- Thép góc đều cạnh : ∟40x40x4 hoặc ∟40x4

- Thép góc không đều cạnh : L63x40x4,trong đó hai số trên là bề rộng cánh, số sau cùng là bề dày cánh

Thép góc đều cạnh gồm 67 loại từ tiết diện nhỏ nhất là ∟20x3 đến lớn nhất là ∟250x20 Thép góc không đều cạnh gồm 47 loại từ tiết diện nhỏ nhất là L25x16x3 đến lớn nhất là L250x160x20 Đặc điểm của tiết diện thép góc là : cánh có hai mép song song nhau, tiện cho việc cấu tạo liên kết Chiều dài thanh thép góc được sản xuất từ 4 đến 13 m Thép góc được dùng làm :

- Thanh chịu lực như hệ thanh bụng, thanh biên của kết cấu giàn; ngoài ra ta có thể ghép hai thép góc thành chữ T, chữ thập, chữ nhật v.v…(hình 1.2.b)

- Cấu kiện liên kết các kết cấu khác như ghép các bản thép thành tiết diện chữ I, liên kết dầm với cột

Thép góc là loại thép cán được dùng nhiều nhất trong kết cấu thép

b)Thép chữ I:

Theo TCVN 1655-75,

gồm có 23 loại tiết diện, chiều

cao từ 100 đến 600 mm Ký

hiệu, ví dụ : I30, ở đây 30 là

chiều cao tính ra cm Từ các số

hiệu 18 đến 30, còn có thêm hai

tiết diện phụ, cùng chiều cao

nhưng cánh rộng và dày hơn,

ký hiệu thêm chữ “a”, ví dụ:

I22a Chiều dài được sản xuất

từ 4 đến 13 m Thép chữ I chủ

yếu làm dầm chịu uốn

Độ cứng của dầm chữ I

theo phương trục x-x rất lớn so

với phương trục y-y Cũng có

thể dùng thép chữ I làm cột, khi

đó nên tăng độ cứng đối với trục y-y bằng cách mở rộng thêm cánh, hoặc ghép hai thép I lại Một bất lợi của thép chữ I là cánh ngắn và vát chéo nên khó liên kết

Trong trường hợp dùng thép chữ I làm ray treo cho cầu trục, cổng trục, cầu chuyển tải, nên dùng thép chữ I chuyên dùng Ở đây cho số liệu thép chữ I chuyên dùng làm ray treo theo ГОСТ 5157-53* (Bảng 1.3)

c) Thép chữ [[

Theo TCVN 1654-75, gồm có 22 loại tiết diện, từ số hiệu 5 đến 40, Số hiệu chỉ chiều cao

tính bằng cm của tiết diện Ký hiệu : [ kèm theo số hiệu, ví dụ : [22 Từ số hiệu 14 đến 24

Hình 1.2 Thép góc và ứng dụng

cũng có thêm loại tiết diện phụ “a”, cánh rộng và dày hơn, ví dụ:[22a Chiều dài từ 4 đến 13 m

Thép chữ [có một mặt bụng phẳng và các cánh vươn rộng nên tiện liên kết với các cấu kiện khác Thép chữ [thường được ghép thành thanh tiết diện đối xứng như hình vẽ (Hình 1.5)

Bảng 1.3 – Dầm chữ I dùng làm ray treo – ГОСТ 5157-53* - (tr.78 – [10])

Trục x-x Trục y-y

cm 2

cm 4 cm 3 cm cm 3 cm 4 cm 3 cm

18M 25,8 180 90 7 12 9 3,5 32,9 1760 196 7,31 112 132 29,3 2,00 24M 38,3 240 110 8,2 14 10,5 4 48,7 4630 386 9,75 220 280 60,9 2,40 30M 50,2 300 130 9 15 12 6 63,9 9400 627 12,02 360 490 75,4 2,77 36M 57,9 360 130 9,5 16 14 6 73,7 15 300 850 14,40 486 527 81,0 2,67 45M 77,6 450 150 10,5 18 16 7 98,7 31 900 1420 17,98 808 908 121,0 3,03

d) Các loại thép hình khác :

Ngoài 3 loại chính vừa nêu, thép cán định hình còn có nhiều loại tiết diện khác, thích hợp cho từng công dụng riêng, ví dụ:

- Thép I cánh rộng, có tỷ lệ bề rộng cánh trên bề cao là: 1:1 đến 1:2, kích thước tiết diện

hxb từ 200x100 đến 100x320 (hình 1.6.a) Cánh có mép song song nên thuận tiện liên kết, cấu kiện dùng làm dầm hay làm cột đếu tốt Giá thành cao vì phải cán trên những máy cán lớn

- Thép ống không hàn, có kích thước (đường kính ngoài x bề dày) từ 42x2,5 đến 500x15

1.4.2.Thép tấm

Thép tấm được dùng rộng rãi vì tính chất vạn năng, có thể

tạo ra các loại tiết diện có hình dạng và kích thước bất kỳ Đặc

biệt trong kết cấu bản thì hầu như là toàn bộ là dùng thép tấm

Thép tấm có các loại sau:

- Thép tấm phổ thông : có bề dày 4 ÷ 60 mm , rộng 600 ÷

2500 mm, chiều dài 2 ÷ 8m Thép tấm phổ thông có 4 cạnh phẳng

nên sử dụng rất thuận tiện

- Thép tấm dày, có bề dày 63 ÷ 160 mm, bề rộng từ 600 ÷

3000 mm, dài 3,5 ÷ 7,0 m

- Thép tấm mỏng, có bề dày 0,2 ÷ 4 mm, bề rộng từ 160 ÷

1050 mm, dài 1,2 ÷ 4 m, dùng để dập các thanh thành mỏng v.v…

Ngoài ra, còn có loại thép tấm khác như: thép giải, rộng

dưới 200 mm, thép tấm có vân, thép tấm hình sóng

1.4.3.Thép hình dập nguội

Đây là loại thép hình mới so với thép cán Từ các thép tấm mỏng, thép giải, dày 2-16 mm,

mang dập nguội mà thành Có các loại tiết diện theo tiêu chuẩn (ГОСТ 8276-57 đến ГОСТ – 8283-57 v.v…) như: thép góc đều cạnh, thép góc không đều cạnh, thép chữ [, thép tiết diện hộp…ngoài ra còn rất nhiều tiết diện theo yêu cầu riêng (hình 1.7) Thép hình dập có vành mỏng nên nhẹ nhàng hơn nhiều so với thép cán Nó được dùng chủ yếu cho các loại kết cấu thép nhẹ, cho những cấu kiện chịu lực nhỏ nhưng có độ cứng lớn Một khuyết điểm của thép hình dập nguội là có sự cứng nguội ở những góc bị uốn; chống gỉ kém hơn.

Hình 1.7 Một số tiết diện của thép hình dập nguội

Hình 1.6 – Các loại tiết diện thép hình khác

a) Thép chữ I cánh rộng;

b) Thép ống

1.4.4 Số liệu kích thước thép tấm

a) Thép tấm cacbon thường(ΓOCT 500-58)

Thép tấm cacbon thường còn gọi là thép tấm đen thường, sản xuất bằng thép cacbon thường ký hiệu MCTO, MCT2, MCT3, MCT4, MCT5 (thép sôi – KΠ, thép lắng và nửa lắng ΠC) Kích thước của thép tấm cacbon thường ghi ở bảng 1.4 (chiều dày từ 4 đến 60mm)

Ngoài ra theo yêu cầu riêng còn có thể sản xuất thép tấm có chiều dày trên 60mm đến 160mm (theo ΓOCT 5681-57), chiều rộng tới 3600mm và chiều dài tới 12000mm

Thép tấm sản xuất bằng máy liên hoàn tự động có thể cuộn thành từng cuộn

Khi kiểm tra chiều dày thép tấm phải đo cách góc tấm thép trên 100mm và cách cạnh tấm thép trên 40mm

Có thể sản xuất tấm thép có chiều dài lớn nhất ghi ở bảng 1.5

b) Thép tấm cacbon tốt cán nóng(ΓOCT 500-58), có kích thước như bảng 1.4 chiều dày từ 4 đến

60 mm

Ký hiệu thép các bon tốt cán nóng : 08KΠ, 10 KΠ – 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55,

60, 65, 70, 15Γ, 20Γ, 30Γ, 40Γ, 50Γ, 60Γ, 65Γ, 70Γ, 10Γ2, 30Γ2, 35Γ2, 40Γ2, 45Γ2, 50Γ2,

Cơ tính thép tấm cacbon tốt cán nóng xem thêm bảng 277a.[15]

Bảng 1.4 – Kích thước thép tấm, mm

(Ký hiệu δ - chiều dày; B – chiều rộng; L – chiều dài), (B.275).[15]

Bảng 1.4 – Kích thước thép tấm, mm (tiếp theo)

(Ký hiệu δ - chiều dày; B – chiều rộng; L – chiều dài), (B.275).[15]

c) Thép tấm và thép dẹt rộng bản làm bằng thép hợp kim chế tạo loại tốt (ΓOCT 500-58),

Thép tấm và thép dẹt rộng bản cán nóng dày từ 4 – 60 mm và thép tấm cán nguội dày 4 –

6 mm có kích thước xem thêm bảng 71.[15] (đối với thép dẹt rộng bản) và bảng 1.4 (thép tấm)

Ký hiệu một số thép tấm và thép dẹt rộng bản làm bằng thép hợp kim chế tạo loại tốt (ΓOCT 500 – 58):

This document was created with Win2PDF available at http://www.win2pdf.com.

The unregistered version of Win2PDF is for evaluation or non-commercial use only This page will not be added after purchasing Win2PDF.

Chương 5

KẾT CẤU VÀ TÍNH TOÁN DẦM

§5.1.CHỌN KÍCH THƯỚC DẦM TỔ HỢP

5.1.1 – Giới thiệu chung về kết cấu dầm

Dầm là một loại cấu kiện cơ bản được sử dụng rất rộng rãi trong kết cấu công trình, trong

chế tạo kết cấu thép của các

loại máy trục

Về mặt chịu lực thì

dầm chủ yếu chịu uốn Theo

đặc điểm cấu tạo tiết diện của

dầm người ta chia dầm làm 2

loại: dầm hình và dầm tổ hợp

a) Dầm hình :

Là dầm làm từ các

thép hình, thường là các loại

thép chữ I, chữ [, v.v… chế tạo từ cán hay dập Dầm hình có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, chi phí

thấp nên giá thành dầm hình thấp hơn giá thành dầm tổ hợp (xem hình 5.1)

b) Dầm tổ hợp :

Dầm tổ hợp là loại dầm chế tạo từ các loại thép tấm hoặc từ các thép tấm kết hợp với các

thép hình liên kết lại với nhau bằng phương pháp hàn hoặc tán đinh

Nếu dùng liên kết hàn để liên kết các cấu kiện của dầm thì gọi dầm đó là dầm tổ hợp

hàn Nếu dùng đinh tán hoặc bu lông để liên kết các cấu kiện của dầm thì gọi dầm đó là dầm tổ

hợp đinh tán hoặc dầm tổ hợp bulông.

So với dầm đinh tán thì dầm hàn tốn ít vật liệu hơn, chi phí chế tạo dầm ít hơn, chế tạo

đơn giản nên được dùng phổ biến hơn Dầm đinh tán chịu tải trọng động và ảnh hưởng của chấn

động tốt hơn dầm hàn nên thường dùng làm dầm của các cần trục loại tải trọng lớn với chế độ

làm việc nặng hoặc rất nặng Trên hình 5.2 giới thiệu một vài loại tiết diện dầm tổ hợp

Hình 5.2 – Một vài loại tiết diện dầm tổ hợp

a – Dầm 1 thành kết cấu hàn; b – Dầm 1 thành kết cấu tán đinh; c – Dầm 2 thành kết cấu hàn; d –

Dầm 2 thành kết cấu tán đinh

Hình 5.1 – Dầm hình a, b – thép cán phổ thông; c – thép cán chữ I

cánh rộng; d, e – thép hình thành mỏng dập

Trong kết cấu dầm để đánh giá tính hợp lý của tiết diện về khối lượng vật liệu khi chịu uốn người ta xác định tỷ số:

3

F

W

ở đây W – mômen chống uốn của tiết diện

F – diện tích tiết diện

Tiết diện sử dụng vật liệu hợp lý là tiết diện mà ứng với 1 diện tích vật liệu F cho trước tiết diện đạt được mômen chống uốn W lớn (so sánh tiết diện dầm có công dụng chung) Dầm tổ hợp có sự phân bố vật liệu trên tiết diện dầm là hợp lý hơn nên có tính kinh tế hơn so với dầm hình

5.1.2 – Xác định các kích thước dầm tổ hợp

a) Xác định chiều cao của dầm tổ hợp h

Chiều cao của dầm tổ hợp có ảnh hưởng lớn đến độ bền, độ cứng, độ ổn định và tính kinh tế của nó Khi chiều cao của dầm tăng thì trọng lượng tấm thành (bản bụng) có tăng, song trọng lượng của tấm biên (bản cánh) lại được giảm đi tương ứng để đảm bảo mômen chống uốn của dầm giữ nguyên Khi đó dầm sẽ có nhiều ưu điểm hơn dầm có cùng môđun chống uốn nhưng chiều rộng bản cánh lớn

Chiều cao lớn nhất của dầm hmaxhạn chế bởi điều kiện để

nhận được khối lượng dầm là nhỏ nhất Gmin Chiều cao nhỏ nhất

của dầm hmin hạn chế bởi điều kiện độ võng của dầm (f) và thời

gian tắt dao động (t)

Chiều cao tối ưu của dầm có thể xác định bằng tính toán

Để sử dụng hoàn toàn vật liệu của dầm : căn cứ vào mômen uốn

dầm do tải trọng gây ra M để xác định môđun chống uốn cần

thiết của tiết diện dầm

][σ

M

(Khi đó chiều cao dầm sẽ đạt tính kinh tế hkt)

– Chiều cao của dầm h max xác định theo điều kiện khối lượng

của dầm là nhỏ nhất nhưng vẫn đảm bảo nhận được mômen

chống uốn của tiết diện W cần thiết:

Đặt trọng lượng của một đơn vị chiều dài dầm là g, khi đó (5.1).[01]:

ở đây gt = δt.h.γ – trọng lượng 1 mét chiều dài bản thành dầm

gb = 2Fb.γ – trọng lượng 1 mét chiều dài 2 tấm biên của dầm

γ – trọng lượng riêng của vật liệu chế tạo dầm

β – hệ số kết cấu phụ thuộc vào trọng lượng các gân tăng cứng và các bản ngăn tăng cứng của dầm β = 1,2 khi dầm chỉ có gân đứng (gân cơ bản); β = 1,3 khi dầm có thêm

1 cặp gân dọc

Mômen quán tính của tiết diện (xem hình 5.3):

Công thức trên nhận được khi ta bỏ qua mômen quán tính của tấm biên đối với trục trung hòa của nó và coi chiều cao thành dầm gần bằng chiều cao dầm: ht ≈ h

Diện tích tiết diện dầm:

2

2

h h

W h h

62

h

W h

γ

*) Chiều cao tiết diện dầm ứng với trọng lượng dầm nhỏ nhất tức chiều cao kinh tế của

dầm được tính từ công thức (5.09):

t kt

W h

W h

δ

3

2 = vào (5.08)), (5.2).[01]:

3

2 1

%100

Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng: hàm trọng lượng theo chiều cao thay đổi rất ít

quanh giá trị chiều cao kinh tế h kt (khi chiều cao thay đổi 20% so với chiều cao kinh tế – trọng

lượng dầm thay đổi không quá 2,5% Dễ dàng nhận thấy: khi chiều cao dầm càng lớn bản thành dầm càng cao và càng mỏng thì dầm càng nhẹ; độ mảnh của thành dầm:

t

t t

h

δ

λ = khi đó sẽ càng lớn

Song độ mảnh của thành

dầm không được vượt quá một giới

hạn nhất định khi xét đến độ bền

của tấm thành dưới tác dụng của

ứng suất tiếp và vấn đề ổn định cục

bộ của nó Vì vậy chiều cao lớn

nhất của dầm cần xác định theo

– Chiều cao nhỏ nhất của dầm

h min cần đảm bảo cho dầm khi sử

dụng không bị võng vượt quá giá

trị giới hạn cho phép

Từ ý nghĩa đó nên chiều cao

nhỏ nhất của dầm hmin được xác

định từ công thức tính toán độ võng

của dầm f với điều kiện:

ở đây f – độ võng thực tế lớn nhất của dầm;

[f] – độ võng cho phép

Do điều kiện sử dụng và kết cấu phải giới hạn độ võng của kết cấu thép Đối với cầu trục chạy điện chế tạo từ thép các bon CT3 theo các tiêu chuẩn kỹ thuật thường cho phép (xem

chương 1 phần II):

f ≤ [f] = L

700

Theo TCVN 5575 – 1991 qui định độ võng đối với dầm và giàn cầu trục :

+ Chế độ làm việc nhẹ (bao gồm cầu trục tay, pa-lăng điện và pa lăng) : [f] = L/400;

+ Chế độ làm việc nặng và rất nặng : [f] = L/600;

– Chiều cao dầm lựa chọn h:

Chiều cao h phải vừa đảm bảo yêu cầu sử dụng (yêu cầu độ cứng) hmin vừa đảm bảo yêu cầu kinh tế (yêu cầu để trọng lượng dầm là nhỏ nhất) hmax Gọi hd là chiều cao tiết diện dầm cần lựa chọn thì:

1

x g

chiếu cao kinh tế Vì vậy khi thiết kế có thể chọn chiều cao dầm khác so với chiều cao kinh tế

h kt mà vẫn đảm bảo yêu cầu kinh tế (xem hình 5.5)

b) Xác định kích thước thành dầm (h t , δδδδ t )

Kích thước các bộ phận của dầm tổ

hợp, chiều dày của các tấm và kích thước

của dầm tổ hợp được chọn sơ bộ Sau khi

đã chọn được tiết diện dầm tổ hợp sẽ tiến

hành kiểm tra theo các điều kiện độ bền,

độ cứng và độ ổn định của dầm

– Chiều cao thành dầm h t

Chiều cao thành dầm ht gần bằng

chiều cao của dầm

ht ≈ h

ht = h – 2δb

δb – Chiều dày của một bản cánh

(tấm biên) Để sử dụng tiết kiệm các thép

tấm cán sẵn từ các nhà máy chế tạo, nên

lấy chiều cao tấm thành là bội số của

10cm Khi đó mức độ hao phí vật liệu khi

chế tạo sẽ ít

– Chiều dày thành dầm δδδδt

Chiều dày thành dầm được xác định

đảm bảo điều kiện độ bền, độ cứng và độ ổn định cục bộ của thành dầm, thêm vào đó cần để ý đến các điều kiện công nghệ và điều kiện chống gỉ của kết cấu dầm

+ Chọn sơ bộ chiều dày thành dầm theo công thức kinh nghiệm (3.67a, b).[09]:

Q

2

trong đó: Q – lực cắt tính toán,

Rc – sức bền tính toán cho phép khi chịu cắt,

ht – Chiều cao thành dầm

+ Chọn chiều dày thành dầm xuất phát từ điều kiện đảm bảo ổn định cục bộ của tấm thành:

c) Xác định kích thước tấm biên (bản cánh dầm): δδδδ b , B

Hình 5.5 - Đồ Thị chiều cao dầm, đảm bảo trọng

lượng dầm nhỏ nhất

1 - δ t = 12mm; β = 1,2; 2 - δ t = 12mm; β = 1,3;

3 - δ t = 16mm; β = 1,2; 4 - δ t = 16mm; β = 1,3;

Bản cánh dầm (tấm biên) có kích thước chiều rộng B, chiều dày tấm biên δb Sau khi đã chọn được chiều cao h, chiều dày tấm thành δt thì từ điều kiện về độ bền chịu uốn của dầm, ta đi xác định diện tích tiết diện tấm biên của dầm, chiều dày tấm biên δb và chiều rộng tấm biên B

Về mặt cấu tạo, tấm biên của dầm chỉ nên dùng một bản thép, vì nếu ghép từ 2 bản trở lên (theo chiều dày) thì sẽ rất phức tạp và sẽ phát sinh ứng suất phụ trong bản cánh của dầm Chiều dày của bản thép làm tấm biên không vượt quá 50 mm với thép các bon và không quá 40

mm với thép hợp kim thấp

– Chọn kích thước chiều dày δδδδb và chiều rộng tấm biên B:

Trên hình vẽ (7.6) giới thiệu quan hệ kích thước giữa chiều dày δ và chiều rộng B của tấm biên chịu nén ở kết cấu dầm hàn và tán đinh căn cứ từ điều kiện ổn định của tấm

– Chọn kích thước tấm biên của dầm tổ hợp 1 thành và 2 thành (dầm hộp)

+ Chiều dày tấm biên δb chọn sơ bộ (3.70).[09]:

B ≤ 24δb : hợp kim nhôm

*) Dầm 2 thành (dầm hình hộp):

Khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 tấm thành dầm hình hộp xác định từ điều kiện để hàn được các vách ngăn bên trong Khoảng cách này phụ thuộc vào chiều cao dầm và thường chọn (300 ÷ 500)mm với dầm chiều cao h = (800 ÷ 1500 mm

1

Với h – chiều cao dầm;

L – khẩu độ của dầm

d) Trình tự chọn tiết diện dầm tổ hợp:

Bước 1: Căn cứ mômen uốn tính toán M xác định môđun chống uốn yêu cầu của dầm:

[ ] σ

M

R m

M W

=

−

=

42

2

F J J

J

4

2

h F

Bước 5: Từ đó xác định diện tích tiết diện tấm biên:

2

) (

2

h

J J

e) Kiểm tra bền dầm tổ hợp :

Tiết diện dầm tổ hợp tìm được sau khi tính toán và lựa chọn sơ bộ phải được kiểm tra lại theo các điều kiện độ bền, độ cứng và độ ổn định

– Điều kiện bền do mômen uốn:

[ ] σ

W M

t x

x

J

S Q

x

R m J

S Q

.

§5.2.ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU DẦM

5.2.1 – Kết cấu gân tăng cứng

Trong kết cấu kim loại máy trục (KCKLMT) thường sử dụng 2 loại tiết diện dầm tổ hợp: dầm 1 thành (tiết diện chữ I – kết cấu gồm 1 tấm thành 2 tấm biên) và dầm 2 thành (tiết diện hộp – kết cấu gồm 2 tấm thành 2 tấm biên)

Khi kết cấu dầm tổ hợp, ngoài các phần tử kết cấu chính là tấm thành và tấm biên người

ta còn kết cấu thêm các phần tử phụ: đó là các gân tăng cứng trên dầm 1 thành và vách ngăn trên dầm 2 thành nhằm mục đích đảm bảo ổn định cục bộ của các tấm

a) Gân tăng cứng dầm 1 thành :

Thành dầm có chiều cao lớn, thành mỏng Độ mảnh của tấm thành khá lớn Khi chịu tải dễ bị mất ổn định tấm Vì vậy khi độ mảnh của tấm thành = ≥ 60

t

t t

h

δ

λ phải kết cấu các gân tăng cứng Ở các dầm hàn dùng các thanh dẹt hàn chặt với bản thành ở cả 2 phía của bản thành

– Có các kiểu bố trí gân tăng cứng dầm 1 thành ( xem hình 5.7):

+ Gân đứng (gân cơ bản);

+ Gân đứng kết hợp với cặp gân dọc;

+ Gân đứng – gân dọc và gân ngắn trung gian

Các gân tăng cứng thành dầm sẽ chia tấm thành ra thành các khoang, nếu khoảng cách giữa các gân tăng cứng này chọn không đúng thì tấm thành sẽ bị phồng ra trong khoảng giữa các gân này, ta gọi đó là mất ổn định cục bộ của từng khoang

b) Gân tăng cứng dầm 2 thành :

Với dầm tổ hợp 2 thành (tiết diện hộp) để tăng cứng cho các tấm thành và tấm biên ta

dùng các vách ngăn (tấm ngăn) – xem hình 5.8 Các vách ngăn cũng có thể được chế tạo là các

thép tấm uốn cong hàn trên mỗi tấm thành (hoặc tấm biên) riêng biệt Kết cấu vách ngăn loại này tạo thành một kết cấu khung cứng – xem hình 5.9

Hình 5.7 – Bố trí gân tăng cứng cho dầm một thành

1 – Gân đứng chính; 2 – Cặp gân dọc; 3 – Gân ngắn trung gian; 3’ – Gân lửng (gân ngắn)

5.2.2 – Dầm tổ hợp có tiết diện thay đổi

a) Dầm là kết cấu chịu uốn dưới tác dụng của tải trọng tập trung và phân bố

Mômen uốn dầm thay đổi trên suốt chiều dài dầm Để tiết kiệm vật liệu và giảm nhẹ trọng lượng của kết cấu với các dầm của các máy trục, người ta thiết kế dầm có tiết diện thay đổi phù hợp với quy luật thay đổi biểu đồ mômen uốn dầm (hình 5.10)

b) Các phương pháp thay đổi tiết diện dầm theo chiều dài dầm :

– Thay đổi chiều cao dầm (hình 5.10.d): thay đổi chiều cao thành dầm theo chiều dài,

lúc đó dầm sẽ có dạng hình thang

– Thay đổi tiết diện tấm biên dầm bằng cách: thay đổi chiều rộng của tấm biên trên và

tấm biên dưới Chiều rộng bản cánh có thể thay đổi liên tục (hình 5.10.h): hoặc không thay đổi liên tục mà theo bậc (hình 5.10.i) Tuy nhiên thay đổi chiều rộng bản cánh liên tục sẽ tiết kiệm được số lượng lớn vật liệu (tới 20%)

Hình 5.8 – Bố trí gân tăng cứng cho dầm 2 thành

1 – Vách ngăn kín; 2 – Vách ngăn ngắn

Hình 5.9 – Một số tiết diện cắt ngang của dầm.: a, b, c – dầm một thành tán đinh; d, e-dầm một thành

kết cấu hàn; h – kết cấu vách ngăn kiểu khung cứng

–Thay đổi chiều dày của tấm biên trong khi vẫn giữ nguyên chiều rộng của dầm

5.2.3 – Liên kết giữa tấm biên và

tấm thành dầm tổ hợp :

a) Đối với dầm 1 thành :

Trong dầm tổ hợp 1 thành, tấm biên

được liên kết với thành dầm bằng các đường

hàn (mỗi tấm biên được hàn với tấm thành

bằng 2 đường hàn góc ở 2 phía của tấm

thành tại chỗ tiếp giáp với bản cánh) Trong

dầm đinh tán hoặc bulông, liên kết giữa tấm

biên với tấm thành được thực hiện nhờ các

đinh tán hoặc bulông

Khi dầm chịu uốn thì các tấm biên

(bản cánh) của dầm có xu hướng trượt tương

đối so với tấm thành (bản bụng)

Đường hàn (đinh tán hoặc bulông)

liên kết các cánh dầm với bản bụng sẽ chịu

lực trượt đó và không cho chúng trượt tương

đối với nhau

Theo công thức cơ bản của Giurapski

về ứng suất tiếp trên tấm thành dầm khi chịu

cắt

t x

c

J

S Q

δ

τ

= thì lực trượt trên 1 đơn vị chiều

dài tấm thành tại vị trí tiếp giáp giữa tấm thành với tấm biên:

x

c t

J

S Q

T = δ = τ . (5.35)

trong đó : Q – Lực cắt tính

toán; Jx– Mômen tính của

tiết diện dầm; Sc – Mômen

tính của 1 tấm biên đối với

trục trung hoà

Lực trượt T làm cho

đường hàn liên kết tấm biên

với tấm thành chịu cắt Tính

toán liên kết giữa tấm biên

với thành dầm là đảm bảo

cho khả năng chịu lực của 2 đường hàn liên kết tấm biên với tấm thành dầm không nhỏ hơn lực T.

Từ điều kiện để đảm bảo liên kết ta có :

2

min

Chiều cao cần thiết của đường hàn là :

Hình 5.10 – Dầm chịu uốn và các phương pháp thay

đổi tiết diện dầm theo chiều dài

Hình 5.11 – Sự làm việc của liên kết cánh với bụng dầm tổ hợp

a – Khi dầm bị uốn thì bản cánh có xu hướng trượt so với bản bụng; b,

c – đường hàn (đinh tán hoặc bu lông) liên kết các cánh dầm với bụng sẽ chịu lực trượt và không cho chúng trượt tương đối với nhau

( g) k x

c h

J m R

S Q h

.

Trong đó (xem thêm chương 2.[08]):

mk – hệ số điều kiện làm việc (B.12)[08],

β – Hệ số hình dạng đường hàn phụ thuộc vào

phương pháp hàn (βh; βt – các hệ số chiều sâu nóng

chảy của đường hàn ứng với tiết diện 1 và 2, tra bảng

(2.5).[08]),

(β.Rg)min – Chọn giá trị nhỏ hơn trong 2 giá trị

βh.Rgh và βt.Rgt

Rgh – Cường độ tính toán chịu cắt của thép

đường hàn (ứng với tiết diện 1), phụ thuộc vào vật liệu

que hàn, tra bảng (2.3a).[08],

Rgt – Cường độ tính toán của thép cơ bản trên biên nóng chảy (ứng với tiết diện 2), Rgt = 0,45 c

(tr23).[08], σb tra theo bảng (1.2) phần I

– Với các dầm cầu trục, cần trục cổng:

Liên kết giữa tấm biên và tấm thành ngoài chịu lực trượt do lực cắt Q gây ra Còn chịu các tải trọng tập trung cục bộ P (do áp lực bánh xe xe tời mang hàng di chuyển trên ray đặt trên tấm biên của dầm) Khi đó đường hàn liên kết giữa bản cánh và bản bụng của dầm còn chịu thêm ứng suất cục bộ và cần phải kiểm tra điều kiện bền của đường hàn do tác dụng đồng thời của lực trượt và lực tập trung cục bộ

+ Hợp lực của lực trượt T và lực tập trung cục bộ P 1 :

2 1 2

2 2

S Q

x

trong đó: P1 – áp lực tập trung trên 1 đơn vị chiều

dài mối hàn:

2

1

P

P = ;

P – tải trọng tập trung cục bộ;

Z – chiều dài phân bố áp lực

+ Điều kiện để đảm bảo bền liên kết hàn:

N h

– Dầm tổ hợp đinh tán:

+ Trong dầm tổ hợp đinh tán hoặc bulông: lực trượt sẽ

do các đinh tán hoặc bulông liên kết chịu Nếu gọi a là bước đinh tán (hoặc bulông) thì lực trượt mà mỗi đinh tán (hoặc bulông) phải chịu là :

a J

S Q a T

Tđ = = . c ⋅ (5.41)

Hình 5.12 – Xác định tiết diện

đường hàn

+ Từ điều kiện bền của liên kết giữa bản cánh và bản bụng dầm (nghĩa là khả năng chịu

lực nhỏ nhất mà đinh tán, bulông không nhỏ hơn lực trượt Tđ) ta sẽ xác định được bước đinh a

– Trong trường hợp khi tính toán thiết kế sơ bộ : chọn trước chiều cao đường hàn góc liên kết giữa tấm biên với tấm thành (hh) sau đó tiến hành kiểm tra sức bền mối hàn theo công thức sau:

[ ]h x h c h

h

J h

S Q F

T

τβ

2

hoặc :

h c k x h

c

R m J h

S Q

2

R : sức bền tính toán của mối hàn khi chịu cắt

b Đối với dầm 2 thành :

Với dầm tổ hợp 2 thành (dầm hộp) liên kết giữa tấm biên, tấm

thành bằng các mối hàn góc Mối hàn góc được kiểm tra sức bền theo

tác dụng của lực trượt T mà không cần tính đến tác dụng của tải trọng

tập trung cục bộ P (khi ray đặt giữa 2 thành dầm)

[ ]h x h c h

h

J h

S Q F

T

τβ

2

(PPƯSCP) (5.44)

h c k x h

c

R m J h

S Q

2

≤

c Điều kiện công nghệ hàn :

Để đảm bảo chịu lực tốt mối hàn giữa tấm biên với tấm thành phải

được hàn liên tục, chiều cao mối hàn không thay đổi theo chiều dài

dầm

5.2.4 – Cấu tạo và tính toán mối nối dầm:

Kết cấu kim loại do điều kiện chế tạo, vận chuyển, lắp ráp mà phải có chiều dài lớn được phân chia thành các đoạn có chiều dài nhỏ; các đoạn này liên kết với nhau bằng các mối nối Theo đặc điểm của từng loại mối nối người ta chia ra : mối nối phân xưởng và mối nối lắp ráp

1) Mối nối phân xưởng :

Mối nối này được thực hiện ngay ở nhà máy chế tạo (phân xưởng) kết cấu thép Sự bố trí mối nối này trên dầm phụ thuộc vào chiều dài của các tấm thép hiện có của nhà máy (do chiều dài tấm thép không đủ chiều dài làm dầm nên phải nối)

Mối nối của bản cánh (tấm biên) dầm và bản bụng (tấm thành) có thể chọn tuỳ ý và không nhất thiết phải chọn ở cùng 1 vị trí trên dầm Tuy nhiên, nên bố trí các mối nối dầm đối xứng so với vị trí giữa dầm

2) Mối nối lắp ráp :

Mối nối này được thực hiện ở nơi lắp ráp cần trục Do kết cấu dầm có trọng lượng hoặc chiều dài vượt quá khả năng của các phương tiện vận chuyển kết cấu dầm từ nơi chế tạo (nhà máy) đến nơi lắp ráp cần trục, hoặc trọng lượng lớn quá khả năng các thiết bị cẩu lắp (khi lắp dựng) Nên khi chế tạo, cần chia ra thành nhiều đoạn (các đoạn có trọng lượng và chiều dài xấp

xỉ nhau) Tại nơi lắp dựng dầm cần trục, thực hiện mối nối các đoạn dầm thành dầm hoàn chỉnh Mối nối này gọi là mối nối lắp ráp

3) Cấu tạo các mối nối :

Hình 5.13 – Dầm 2 thành có ray đặt giữa 2 thành dầm

a) Mối nối dầm thép hình :

+ Mối nối dầm hình (kể cả mối nối phân xưởng và mối nối lắp ráp) thường dùng liên kết hàn Trên hình (7.14) giới thiệu một số giải pháp cấu tạo mối nối dầm thép hình chữ I

+ Giải pháp đơn giản nhất là liên kết hàn đối đầu các đoạn dầm với nhau (hình 5.14a) Để giảm ứng suất và biến dạng hàn, cần hàn nối tấm bụng trước (đường hàn 1) rồi mới hàn đường hàn nối bản cánh

(đường hàn 2)

+ Hình 5.14b,c –

ngoài các đường hàn nối bản

cánh (biên) và bản bụng

(thành) nhìn ở trên, ở mỗi tấm

biên còn có thêm 1 tấm nối

(tấm ốp), tấm nối này được

hàn với tấm biên dầm bằng

đường hàn góc

b) Mối nối dầm tổ hợp 1

thành (xem hình 5.15):

Trên hình vẽ chỉ ra

cấu tạo của mối nối dầm tổ

hợp 1 thành

Mối nối phân xưởng

dầm tổ hợp hàn thực chất là mối nối các thép tấm (biên, thành)

Giải pháp cấu tạo đơn giản và thường được dùng là đường hàn đối đầu nối các bản thép thành dầm và biên dầm

– Để tránh các ứng suất phụ phát sinh khi hàn các đường hàn nối dầm thì mối nối của tấm biên chịu nén, mối nối tấm biên chịu kéo và mối nối thành dầm thường bố trí ở các tiết diện khác nhau

– Mối nối lắp ráp dầm tổ hợp hàn được thực hiện trên cùng một tiết diện dầm

Hình 5.14 – Nối dầm hình

a – Nối dầm chữ I; b, c – mối nối có tấm ốp

Hình 5.15 – Nối dầm tổ hợp

a – dùng đường hàn đối đầu; b – mối nối cánh chịu nén và nối bụng nên dùng đường hàn đối đầu, còn cánh chịu kéo nên dùng đường hàn đối đầu xiên góc 60 o

– Mối nối tấm biên chịu kéo nên dùng đường hàn đối đầu xiên góc 60° để tăng khả năng chịu lực của mối nối (hình 5.15.b)

Thiết kế thực tế nếu tuân theo các cấu tạo vừa nêu trên đây và đảm bảo các điều kiện cấu tạo, công nghệ hàn thì có thể không cần kiểm tra mối nối dầm Trong trường hợp cần tính toán kiểm tra thì theo nguyên lý và các công thức ở chương liên kết hàn (chương 3 phần I)

– Xét tại tiết diện mối nối dầm chỉ có mômen uốn chung của dầm M tác dụng khi đó:

+ Phần mômen uốn do tấm bụng (thành dầm) tiếp nhận được tính theo công thức :

x

t t

J

J M

c) Mối nối dầm tổ hợp 2 thành (dầm hộp) :

+ Mối nối phân xưởng dầm tổ hợp 2 thành thực chất là các mối nối dùng phương pháp hàn

để nối các phần tử (nối tấm thành, nối tấm biên) của dầm Cấu tạo và tính toán mối nối phân xưởng dầm tổ hợp 2 thành tương tự như dầm tổ hợp 1 thành

+ Mối nối lắp ráp dầm tổ hợp 2 thành thường thực hiện ở dạng liên kết bulông qua các

mặt bích nối, dùng bulông có cường độ cao để thực hiện mối nối lắp ráp Thông thường dùng bulông chế tạo từ thép 40 lắp với lỗ có khe hở vài mm Để đảm bảo độ chính xác lắp ghép, các

lỗ bulông thường được tạo bằng cách khoan lỗ Trên hình vẽ (5.16) giới thiệu mối nối lắp ráp

dầm tổ hợp 2 thành dùng kết cấu bulông cường độ cao – mặt bích nối

Hình 5.16 – Mối nối lắp ráp – liên kết bu lông mặt bích nối dầm: a – Cấu tạo và sơ đồ làm việc; b – Kết

cấu mặt bích khi đặt mối nối bên trong dầm

§5.3 – ĐẶC ĐIỂM TÍNH TOÁN KẾT CẤU DẦM CHỊU TẢI TRỌNG

CỤC BỘ CỦA ÁP LỰC BÁNH XE

Với kết cấu thép dầm của các cần trục dạng dầm có xe tời di chuyển trên dầm chính (dầm cầu trục, cổng trục, cầu chuyển tải…) Khi xe tời mang hàng di chuyển dọc trên dầm thì áp lực bánh xe di động sẽ gây ra trên dầm trạng thái tải trọng cục bộ Tải trọng tập trung do áp lực bánh

xe sẽ gây ảnh hưởng đến độ bền, độ bền mỏi và độ ổn định cục bộ các phần tử của dầm Khảo sát các trường hợp bố trí ray xe con trên các dầm 1 thành và đầu 2 thành

5.3.1 Dầm 1 thành có ray xe con đặt ở tấm biên trên:

Khi bánh xe của xe tời di chuyển trên đường ray đặt ở tấm biên trên của dầm 1 thành, ray và tấm biên trên được coi là nền đàn hồi Sơ đồ tính được đưa về dạng sơ đồ dầm trên nền đàn hồi chịu tải trọng tập trung P Với trạng thái chịu tải trọng như hình 5.17:

– Ray và tấm biên

trên (đóng vai trò dầm) chịu

uốn

– Tấm thành dầm

(đóng vai trò nền đàn hồi)

chịu nén

– Bề mặt trên tấm

thành nơi tiếp giáp với tấm

biên trên chịu ứng suất dập

1) Ứng suất cục bộ dập mép

thành dầm σσσσ cb , (5.11).[01]:

t cb

z – Chiều dài qui ước

phân bố áp lực lên thành dầm

do tải trọng P, với giả thiết

áp lực do P gây ra là phân bố

đều

δt – Chiều dày thành

dầm tại mép trên (5.11).01]:

3

t b

J C Z

δ

Với C = 3,25 – dầm thép hình, dầm tổ hợp hàn

C = 3,75 – dầm đinh tán

J b – mômen quán tính của ray và tấm biên trên được xác định như sau:

+ Nếu ray xe tời được hàn với tấm biên trên tạo thành kết cấu liên tục thì: Jb là tổng mômen quán tính của ray và tấm biên đối với trục trung hoà chung của chúng

Hình 5.17 – Sơ đồ tính dầm 1 thành chịu tải trọng tập trung P di động trên dầm

Hình 5.18 – Biểu đồ dạng phân bố áp lực trên thành dầm

+ Nếu ray không được hàn vào tấm biên thì: Jb là tổng mômen quán tính của ray và tấm biên đối với trục trung hoà riêng của

chúng

Để tính toán ta thay biểu đồ phân

bố áp lực do tải trọng P gây ra (dạng

đường cong), qui đổi tương đương về

dạng hình chữ nhật (đường thẳng) coi

rằng áp lực phân bố trên thành dầm là

đều: p x = p 0 = const trên chiều dài bằng

chiều dài qui ước phân bố áp lực Z

Biểu đồ phân bố áp lực lên thành

dầm đối với dầm 1 thành do 1 tải trọng

tập trung gây ra cho trên hình (5.19) do 2

tải trọng tập trung gây ra cho trên hình

5.20 Như vậy ứng suất cục bộ dập mép

trên thành dầm nơi tiếp giáp thành dầm

và tầm biên trên được tính, (5.11).[01]:

3

t

b t t cb

J C

P Z

P

δδδ

*) Trong trường hợp trên tấm

thành có bố trí các gân tăng cứng thẳng

đứng (gân cơ bản) thì các gân tăng cứng

cũng được coi là gối tựa cho tấm biên và

chúng sẽ tiếp nhận 1 phần áp lực do P tác

dụng

– Ứng suất cục bộ dập mép trên

thành dầm có tính đến sự giảm tải do tác

dụng của các gân tăng cứng (5.12).[01]:

t cb

Z

P

δ

ξ σ

.

.

= (5.52)

trong đó :

ξ ≤ 1 – hệ số kể đến ảnh hưởng

của các gân tăng cứng, phụ thuộc vào

khoảng cách giữa các gân Hệ số ξ được

xác định phụ thuộc thông số α; trong đó

(tr.173).[01]:

t b

ξ = f Ở đây: a – Khoảng cách giữa

các gân tăng cứng Khi a>70δ thì ξ = 1;

Hình 5.19 – Biểu đồ phân bố áp lực lên thành dầm đối với

dầm hàn do 1 tải trọng tập trung gây ra

Hình 5.20 – Biểu đồ phân bố áp lực lên thành dầm đối với

dầm hàn do 2 tải trọng tập trung gây ra.

Hình 5.21 – Đồ thị hệ số ξ kể đến ảnh hưởng của gân tăng

cứng

Khi a<70δ thì ξ < 1

2) Ứng suất nén thành dầm σσσσ y :

Khi bánh xe di chuyển trên ray và ray đặt ở tấm biên trên thì thành dầm sẽ chịu nén (thành dầm đóng vai trò nền đàn hồi) Quy luật phân bố ứng suất theo chiều cao thành dầm được xác định theo công thức:

– Tại tiết diện cách mép trên thành dầm 1 khoảng cách y (5.13).[01]:

ở đây:

h

Z h

ht – chiều cao thành

dầm

Nhìn vào quy luật

phân bố ứng suất nén trên

thành dầm ta thấy:

– Khi y = 0 (tại mép

trên thành dầm): σy = σcb

– Khi y = ht (η = 1,0),

mép dưới thành dầm σy = 0

3) Sự ảnh hưởng của ray đặt

trên trục thành dầm

Do chế tạo và lắp ráp

không chính xác đường trục

của ray không trùng với trục

của thành dầm mà lệch 1

khoảng e (độ lệch e) Dưới

tác dụng của tải trọng P thành

dầm ngoài chịu nén còn chịu mômen uốn phụ có trị số P.e gây ứng suất uốn phụ trên thành dầm làm cho một phía thành dầm bị tăng tải, còn phía kia được giảm tải Yêu cầu về công nghệ chế

tạo và lắp ráp: độ lệch tâm e không được vượt quá (2 ÷ 3) mm

4) Yêu cầu liên kết hàn giữa tấm biên và tấm thành:

Biên trên phải được hàn toàn bộ suốt chiều dài với tấm thành, mép trên thành dầm được gia công mép hàn hình chữ K để hàn cho thấu, nếu không sẽ phát sinh vết nứt ở mối hàn, vết nứt

ở thành dầm gần mối hàn

5) Đối với kết cấu dầm cần trục ở chế độ làm việc nặng và rất nặng:

Không cho phép làm các gân ngắn phụ khi không có gân dọc để tránh phát sinh các vết nứt do mỏi Trong trường hợp cần thiết, khi cần bố trí gân ngắn thì phải bố trí cặp gân dọc

Do tác dụng của tải trọng tập trung P di động trên ray đặt ở tấm biên trên, mép trên thành dầm chịu tải trọng dập cục bộ với cường độ khá lớn Vì vậy những nghiên cứu và khảo sát thực

Hình 5.22 – Ứng suất cục bộ dập mép thành dầm và sự phân bố ứng

suất nén σy theo chiều cao dầm

a – sơ đồ tải trọng; b – đồ thị biểu diễn sự thay đổi σy theo chiều cao

dầm; c – tiết diện dầm chữ I chịu ứng suất cục bộ

nghiệm đã đề ra 1 số biện pháp kết cấu làm giảm ứng suất cục bộ dập mép trên thành dầm (do

3

t b

J C

Z

δ

a) Tăng mômen quán tính tấm biên trên:

Nhằm tăng khả năng chống xoắn của tấm biên khi tải trọng đặt đúng tâm cũng như khi đặt lệch tâm, góp phần làm giảm ứng suất dập cục bộ mép trên thành dầm (σcb), bằng cách kết cấu : + Dùng ray vuông;

+ Tăng chiều dày tấm biên trên δb;

+ Tăng chiều dày tấm thành tại mép trên nơi tiếp giáp với tấm biên δt

b) Nối tấm biên trên với tấm nghiêng hoặc tấm góc:

Làm tăng độ cứng chống xoắn của tấm biên trên và thành dầm giảm ứng suất uốn phần trên của thành dầm do tác dụng của mômen uốn phụ phát sinh khi tải trọng P đặt lệch trục thành dầm với độ lệch tâm e

c) Rút ngắn khoảng cách giữa các gân tăng cứng a:

Khi đó các gân tăng cứng sẽ tiếp nhận 1 phần áp lực do tải trọng cục bộ P gây ra, giảm tải cho thành dầm (ξ < 1) làm giảm ứng suất cục bộ dập mép trên thành dầm

d) Ở các dầm 1 thành:

Bố trí tấm đệm đàn hồi đặt ở dưới ray (trên tấm biên) làm cho áp lực phân bố lên thành dầm đều hơn, chiều dài phân bố áp lực tăng Nhất là những trường hợp do kết cấu ray không được áp sát tốt vào tấm biên và tại các chỗ nối ray, áp lực phân bố không đều và không liên tục, cần bố trí tấm đệm đàn hồi giữa ray và tấm biên để làm giảm ứng suất cục bộ dập mép thành

dầm

5.3.2 Dầm tổ hợp 2 thành có ray đặt biên trên giữa 2 thành dầm :

Trường hợp này, tấm biên trên không được coi là gối đỡ của ray Kết cấu dầm 2 thành, ngoài các vách ngăn kín để đảm bảo ổn định cục bộ các thành dầm, còn bố trí các vách ngăn ngắn với chiều cao vách ngăn ngắn bằng 

1

chiều cao dầm Vách ngăn kín cùng với các vách ngăn ngắn đóng vai trò gối đỡ của ray Tình hình chịu tải của các bộ phận kết cấu dầm 2 thành dưới tác dụng của tải trọng cục bộ P do áp lực bánh xe di chuyển trên ray như sau:

Hình 5.23 – Một số biện pháp kết cấu nhằm giảm ứng suất cục bộ dập mép thành dầm

1 – bộ phận tấm hoặc thép góc làm cho biên có tiết diện hình hộp; 2 – tấm đệm cao su

+ Ray được coi

là 1 dầm liên tục đặt

trên các gối tựa là

vách ngăn Gần đúng

coi rằng ray sẽ tiếp

nhận toàn bộ tải trọng

cục bộ do áp lực bánh

xe P

+ Tấm biên

trên không được coi là

gối đỡ của ray nhưng

dưới tác dụng của tải

trọng P Một phần tấm biên ở biên dưới tải trọng P tiếp nhận tải trọng N

+ Các vách ngăn đóng vai trò là gối tựa của ray sẽ tiếp nhận tải trọng P gây ra

1) Đối với ray :

– Gần đúng ứng suất lớn nhất ở ray,

(5.15).[01]:

[ ]r

r r

r r

W

l P W

6

.

(5.55) trong đó:

P : áp lực lớn nhất của bánh xe di

chuyển trên ray

Chính xác thì ray chỉ chịu uốn bởi áp

lực (P – N); N là phần áp lực mà tấm biên trên

tiếp nhận, song giá trị N thường không lớn nên

coi như ray chịu hoàn toàn tải trọng cục bộ P

– Mômen gây uốn ray:

l P

Mr 6

1

Với l : khoảng cách giữa các vách ngăn dầm 2 thành

Wr : mômen chống uốn nhỏ nhất của tiết diện ray

[ ] σr : Ứng suất cho phép của ray

– Ứng suất kéo cho phép [ ]K

σ = 2300 kG/cm2 – với các ray loại nhỏ hơn P43

– Ứng suất nén cho phép ở đỉnh ray [ ]n

r

σ lấy nhỏ hơn :

[ ] [ ]= K +600

r n

2) Đối với tấm biên bên trên :

Hình 5.24 - Dầm 2 thành có ray đặt ơ’ biên trên giữa 2 thành dầm

1 – Ray; 2 – Tấm biên trên; 3 – Vách ngăn kín; 4 – vách ngăn ngắn

Hình 5.25 – Sơ đồ tính ray

Hình 5.26 – Các điểm cần tính ứng suất của ray

1 – đầu ray; 2 – đế ray

Mặc dù không coi tấm biên trên là gối đỡ của ray nhưng ray được kẹp chặt với tấm biên và cùng bị biến dạng khi chịu tải trọng do đó, tấm biên trên cũng chịu tiếp nhận tải trọng cục bộ

P gây ra Xét phần tấm biên được được đỡ bởi 2 tấm thành dầm và 2 vách ngăn kề nhau có kích

thước a, l (xem hình 5.27)

Gọi δ - chiều dày tấm biên trên; a –

khoảng cách giữa 2 tấm thành dầm hộp; l –

khoảng cách giữa 2 vách ngăn kề nhau Phần

áp lực mà tấm biên tiếp nhận là N

– Khi a<l, (3.89).[03]:

3 3

2 1

.

96 1

δ

l

J a k

P N

+

– Khi a ≥≥≥≥ l, (3.90).[03]:

3 1

.

96 1

δ

l

J k

P N

+

Áp lực N do tấm biên tiếp nhận được

phân bố trên 1 tấm hình chữ nhật có các cạnh

a 1 , b 1; với a1 = br – chiều rộng đế ray (cm); b1

= (2hr + 5) (cm); hr – Chiều cao ray

Áp lực N phân bố trên tấm chữ nhật a1,

b1 gây ra ứng suất cục bộ uốn tấm biên theo

– Ứng suất uốn cục bộ ở thớ ngoài cùng của

tấm biên được tính, (3.87).[03]:

2

6 δ

cb y cb

– Giá trị tính toán của các mômen uốn dọc cục bộ và mômen uốn ngang cục bộ (3.88).[03]:

N k

Mcb

N k

Các hệ số k1, k2, k3 để tính uốn cục bộ tấm biên được tra theo các bảng 5.1; 5.2; 5.3

Bảng 5.1 – giá trị hệ số k 1, (B.3.19).[03]

l/a khi a ≤ l

k 1 0,1265 0,1381 0,1478 0,1621 0,1714 0,1769 0,1803 0,1846 0,1849

Hình 5.27 – Sơ đồ khảo sát tấm biên khi tiếp nhận

phần áp lực do tải trọng cục bộ P

Hình 5.28 – Ray cầu trục KP60

Bảng 5.2 – giá trị hệ số k 2, (B.3.20).[03]

a l

Ơû đây a 1 – chiều rộng đế ray; b 1 = 2h r + 5cm, trong đó h r – chiều cao ray

Bảng 5.3 – giá trị hệ số k 3, (B.3.21).[03]

a l

Ơû đây a 1 – chiều rộng đế ray; b 1 = 2h r + 5cm, trong đó h r – chiều cao ray

Như vậy : tấm biên của dầm tổ hợp vừa chịu uốn chung cùng dầm vừa chịu uốn cục bộ do tải trọng di động P

– Ứng suất tương đương trong tấm xác định theo thuyết bền 4 , (3.91).[03]:

2 1 2 2 2

σ

y cb x u cb

y u

σ – ứng suất do uốn chung của dầm

3) Đối với 2 thành dầm :

Hai bản thành dầm hộp không tiếp nhận tải trọng cục bộ do áp lực bánh xe P gây ra Khi kiểm tra bền , các bản thành dầm tổ hợp chỉ chịu uốn chung của dầm mà không bị ảnh hưởng của tải trọng cục bộ (σcb = 0)

4) Đối với vách ngăn dầm

a) Xác định khoảng cách 2 vách ngăn liền nhau

Khoảng cách giữa 2 vách ngăn liền nhau l xác định xuất phát từ điều kiện để ray tiếp

nhận hoàn toàn tải trọng P Căn cứ theo công thức tính toán sức bền ray, xác định khoảng cách giữa 2 vách ngăn kề nhau: